積分 √(x^2-a^2)

x 2 - a 2 d x     ( a > 0 )

部分積分法より. f ( x ) = 1 , g ( x ) = x 2 - a 2 とおく.

= 1 x 2 - a 2 d x

= x x 2 - a 2 x 2 x 2 - a 2 d x

= x x 2 - a 2 x 2 - a 2 + a 2 x 2 - a 2 d x

= x x 2 - a 2 x 2 - a 2 d x - a 2 x 2 - a 2 d x

= x x 2 - a 2 x 2 - a 2 d x - a 2 log | x + x 2 - a 2 |

a 2 x 2 - a 2 d x  の積分はここを参照のこと

改めて書き直すと

x 2 a 2 d x = x x 2 a 2 x 2 a 2 d x a 2 log | x + x 2 a 2 |

x 2 - a 2 d x  について整理すると

2 x 2 a 2 d x = x x 2 a 2 a 2 log | x + x 2 a 2 |

x 2 a 2 d x = 1 2 { x x 2 a 2 a 2 log | x + x 2 a 2 | }  

積分定数を付け加えると

x 2 a 2 d x = 1 2 { x x 2 a 2 a 2 log | x + x 2 a 2 | } + C

●別解

x= a cosθ とおく(置換積分).ただし, 0<θ< π 2 π 2 <θ<π

dx dθ = asinθ cos 2 θ dx= asinθ cos 2 θ dθ

よって

与式 = a cosθ 2 a 2 asinθ cos 2 θ dθ

= a 1 cos 2 θ 1 asinθ cos 2 θ dθ

tan 2 θ + 1 = 1 cos 2 θ より, 1 cos 2 θ 1= tan 2 θ .よって

= a tan 2 θ asinθ cos 2 θ dθ

0<θ< π 2 のとき, tanθ>0 となり, tan 2 θ =tanθ

π 2 <θ<π のとき, tanθ<0 となり, tan 2 θ =tanθ

よって,場合分けをして計算を進める.

I. π 2 <θ<π の場合

与式 = atanθ asinθ cos 2 θ dθ

= a 2 sin 2 θ cos 3 θ dθ

= a 2 1 cos 2 θ cos 3 θ dθ

= a 2 1 cos 3 θ dθ 1 cosθ dθ

1 cos 3 x d x = 1 2 sin x cos 2 x + 1 4 log 1 + sin x 1 sin x + C

1 cos x d x = 1 2 log 1 + sin x 1 sin x + C より

= a 2 2 sinx cos 2 x 1 2 log 1+sinx 1sinx +C

x= a cosθ より, cosθ= a x

sinθ= 1 cos 2 θ = 1 a x 2 = 1 a x 2 = 1 a 2 x

(∵ 0<θ< π 2 のとき, cosθ>0 ,よって, x>0 ,したがって, x 2 =x

よって

= a 2 2 x 2 a 2 x a x 2 1 2 log 1+ x 2 a 2 x 1 1 x 2 a 2 x +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 1 2 log x+ x 2 a 2 x x 2 a 2 +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 1 2 log x+ x 2 a 2 2 x x 2 a 2 x+ x 2 a 2 +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 1 2 log x+ x 2 a 2 2 a 2 +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 log x+ x 2 a 2 a +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 log x+ x 2 a 2 loga +C

= 1 2 x x 2 a 2 a 2 log x+ x 2 a 2 a 2 loga +C

1 2 a 2 loga+C を改めて C とおくと

= 1 2 x x 2 a 2 a 2 log x+ x 2 a 2 +C

II. π 2 <θ<π の場合

与式 = a tanθ asinθ cos 2 θ dθ

= a 2 sin 2 θ cos 3 θ dθ

上記の計算を参考にすると

= a 2 2 sinx cos 2 x 1 2 log 1+sinx 1sinx +C

x= a cosθ より, cosθ= a x

sinθ= 1 cos 2 θ = 1 a x 2 = 1 a x 2 = 1 a 2 x

(∵ π 2 <θ<π のとき, cosθ<0 ,よって, x<0 ,したがって, x 2 =x

よって

= a 2 2 x 2 a 2 x a x 2 1 2 log 1 x 2 a 2 x 1+ 1 x 2 a 2 x +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 1 2 log x x 2 a 2 x+ x 2 a 2 +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 1 2 log x+ x 2 a 2 x x 2 a 2 x+ x 2 a 2 2 +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 1 2 log a 2 x+ x 2 a 2 2 +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 log a x+ x 2 a 2 +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 +log x+ x 2 a 2 loga +C

= a 2 2 x x 2 a 2 a 2 log x+ x 2 a 2 +loga +C

= 1 2 x x 2 a 2 a 2 log x+ x 2 a 2 + a 2 loga +C

1 2 a 2 loga+C を改めて C とおくと

= 1 2 x x 2 a 2 a 2 log x+ x 2 a 2 +C

I,IIより

x 2 - a 2 d x = 1 2 x x 2 a 2 a 2 log x+ x 2 a 2 +C

 

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最終更新日: 2025年9月9日