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微分積分学および演習Ⅰ 演習問題 11

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Academic year: 2021

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(1)

微分積分学および演習Ⅰ 演習問題 11

2018年度前期

工学部・未来科学部1 担当: 原 隆(未来科学部数学系列・助教)

自習課題

Seatwork assignment

※ 必ず 1度自分なりに解いてみてから解答をチェックすること!!

(解答は講義用ウェブページからダウンロード出来ます) Try to give your solutionsbefore checking the answer.

You can download the answer from the webpage of this class.

問題11-1. (有理関数の積分)

以下の不定積分、定積分を計算しなさい。

(1)

∫ 6x+ 17

2x25x3dx (2)

∫ 4x3

(2x1)2dx (3)

x43x3+ 5x8 x2−x−2 dx (4)

∫ 6x27x1

x32x2−x+ 2dx (5)

3 1

3x24x+ 3

x32x2+ 3x1dx (6)

2 3

2

3x2 x2+ 4dx (7)

2 1

7x211x+ 6

x33x2 dx (8)

1

1 2

1

x3+ 1dx (9)

3 1

1

(1 +x2)2dx

【ヒント集】

有理関数の積分は 部分分数分解 をするのが定石(石原・浅野の教科書の §24 参照) (1), (3), (4), (7), (9)取り敢えず 分母を因数分解することから始めるべし!!

(5), (6)あれ? これ以上分母が因数分解出来ない?? …… そんなときはどうしましょ?

(8)これ以上因数分解出来ない2次式に対しては f(x)

f(x) タイプArctanが出て来るタイプ 2 のタイプに巧く分けるべし!!

(9)

1

(1 +x2)2dx=

(1 +x2)x2 (1 +x2)2 dx=

1

1 +x2dx

x

2· 2x

(1 +x2)2

| {z }

=−

1 1 +x2

dx として部分

積分に持ち込むと分かりやすいかも。

問題11-2. (広義積分)

以下の広義積分を計算しなさい。

(1)

x=2 x=0

1

4−x2dx (2)

x= x=0

xex2dx (3)

x= 3

x=0

x

3−x2dx (4)

x= x=1

1

x3+xdx (5)

x= x=0

ex

1−exdx (6)

x=π2 x=0

sinx

cosxdx

【ヒント】

若干積分が難しくなってますが、まぁ複雑怪奇な積分は大体置換積分すればなんとかなるもんです。

(2)

【解答】

問題11-1. 以下 C は積分定数とする。

(1)

∫ 6x+ 17 2x25x3dx

被積分関数を部分分数分解すると 6x+ 17

2x25x3 = 5

x−3 4

2x+ 1 だから

∫ 6x+ 17

2x25x3dx=

∫ ( 5

x−3 4 2x+ 1

) dx

= 5 log|x−3| −2 log|2x+ 1|+C (

= log

(x3)5 (2x+ 1)2

+C )

(2)

∫ 4x3 (2x1)2dx

被積分関数を「分解」すると 4x3

(2x1)2 = 2

2x1 1

(2x1)2 だから

∫ 4x3 (2x1)2dx=

∫ ( 2

2x1 1 (2x1)2

) dx

= log|2x1|+1 2 · 1

2x1+C (3)

x43x3+ 5x8 x2−x−2 dx

被積分関数は x43x3+ 5x8

x2−x−2 =x22x+ x−8

(x+ 1)(x2) =x22x+ 3

x+ 1 2 x−2 と整理されるので

x43x3+ 5x8 x2−x−2 dx=

∫ (

x22x+ 3

x+ 1 2 x−2

) dx

= 1

3x3−x2+ 3 log|x+ 1| −2 log|x2|+C (

= 1

3x3−x2+ log

(x+ 1)3 (x2)2

+C )

(4)

∫ 6x27x1 x32x2−x+ 2dx

被積分関数を部分分数分解すると 6x27x1

x32x2−x+ 2 = 2

x+ 1+ 1

x−1 + 3

x−2 だから

∫ 6x27x1

x32x2−x+ 2dx=

∫ ( 2

x+ 1 + 1

x−1 + 3 x−2

) dx

= 2 log|x+ 1|+ log|x−1|+ 3 log|x−2|+C (= log(x+ 1)2(x1)(x2)3+C) (5)

3 1

3x24x+ 3 x32x2+ 3x1dx 3x24x+ 3

x32x2+ 3x1 = (x32x2+ 3x1)

x32x2+ 3x1 であるから

3 1

3x24x+ 3

x32x2+ 3x1dx=[

log|x32x2+ 3x1]3

1= log 17

(3)

(6)

2 3

2

3x2 x2+ 4dx 被積分関数は 3x2

x2+ 4 = 3 2 · 2x

x2+ 4 2

x2+ 4 = 3 2

(x2+ 4)

x2+ 4 2

x2+ 4 と整理出来るので

2 3

2

3x2 x2+ 4dx=

[3

2log(x2+ 4)Arctan (x

2 )]23

2

= 3

2log 2 7 12π

(7)

2 1

7x211x+ 6 x33x2 dx

被積分関数を部分分数分解すると 7x211x+ 6 x33x2 = 4

x−3 + 3 x 2

x2 だから

2 1

7x211x+ 6 x33x2 dx=

2 1

( 4 x−3+ 3

x 2 x2

) dx

= [

4 log|x3|+ 3 log|x|+ 2 x

]2 1

= log 21

(8)

1

1 2

1 x3+ 1dx 被積分関数は 1

x3+ 1 = 1

(x+ 1)(x2−x+ 1) = 1 3

{ 1

x+ 1 x−2 x2−x+ 1

}

と部分分数分解出 来るが、ここで

x−2 x2−x+ 1 =

1

2(2x1)32 x2−x+ 1 = 1

2 ·(x2−x+ 1) x2−x+ 1 3

2· 1

( x−1

2 )2

+3 4 であることから

1

1 2

1

x3+ 1dx= 1 3

1

1 2

( 1

x+ 1 x−2 x2−x+ 1

) dx

= 1 3

[

log|x+ 1| −1

2log|x2−x+ 1|+

3Arctan 2

3 (

x−1 2

)]1

1 2

= 1

3log 21

6log 3 +

3 18π

(9)

3 1

1

(1 +x2)2dx 被積分関数は 1

(1 +x2)2 = (1 +x2)−x2

(1 +x2)2 = 1

1 +x2 x 2 ·

{

( 1

1 +x2 )}

と整理出来るの で、部分積分法を用いて

3 1

1

(1 +x2)2dx=

3 1

{ 1

1 +x2 +x 2 ·

( 1 1 +x2

)} dx

= [

Arctanx+x 2 · 1

1 +x2 ]3

1

3 1

(x 2

) 1

1 +x2dx (部分積分法)

= 1 12π+

3 8 1

4 1 2

[Arctanx]3

1 = 1

24π+

3 8 1

4

(4)

問題11-2.

(1)

2 0

1

4−x2dx [x= 2 で被積分関数が発散]

2 0

1

4−x2dx= lim

K20

K 0

1

4−x2dx= lim

K20

[Arcsinx 2

]K

0 = lim

K20ArcsinK 2

= Arcsin 1 = π 2

※「広義積分だと気付かなくても」積分が計算出来てしまうケースではあるが、「どこがヤバ いから広義積分となっているのか」をしっかり把握しておくのは重要。

(2)

0

xex2dx [無限積分]

0

xex2dx= lim

K+

K 0

xex2dx= lim

K→∞

[

1 2ex2

]K 0

= lim

K→∞

(1 2 1

2eK2 )

= 1 2

K 0

xex2dxの計算はt=−x2 とおいて置換積分すれば良い。

(3)

3 0

x

3−x2dx [x=

3で被積分関数が発散]

3 0

x

3−x2dx= lim

K 30

K 0

x

3−x2dx= lim

K 30

[

3−x2]K 0

= lim

K 30

( 3

3−K2 )

= 3

(1) の亜種。分子にxがあるかないかで原始関数の形が大きく変化することに気を付けよ う。これはt= 3−x2 とおいて置換積分するのが分かり易いかもしれない。

(4)

1

1

x3+xdx [無限積分] 被積分関数は 1

x3+x = 1

x x

x2+ 1 = 1 x 1

2 ·(x2+ 1)

x2+ 1 と整理出来るので

1

1

x3+xdx= lim

K→∞

K 1

1

x3+xdx= lim

K→∞

[

log|x| −1

2log(x2+ 1) ]K

1

= lim

K→∞

(

logK−1

2log(K2+ 1) + 1 2log 2

)

· · · ()

= 1

2log 2 + lim

K→∞log K

√K2+ 1 = 1

2log 2 +

Klim→∞

√ 1 1 +K12

= 1 2log 2

() の状態だと K の極限が所謂∞ − ∞ の不定形となってしまうため、対数法則 用いて log1つにまとめるのがポイント。うっかりすると「不定積分は収束しない」な んて答えがちな問題なので要注意。

(5)

(5)

0

ex

1−exdx [無限積分]

0

ex

1−exdx= lim

K+

K 0

ex

1−exdx= lim

K→∞

[2

3(1−ex)32 ]K

0

= lim

K→∞

2

3(1−eK)32 = 2 3

K 0

ex

1−exdxの計算はt= 1−ex とおいて置換積分すれば良い。

(6)

π2

0

sinx

cosxdx [x= π

2 で被積分関数が発散]

π2

0

sinx

cosxdx= lim

Kπ20

K 0

sinx

cosxdx= lim

Kπ20

[2(cosx)12]K

0 = lim

Kπ20(22(cosK)12) = 2

※ これも「広義積分だと気付かなくても」積分が計算出来てしまうケース。t= cosx とお いて

K 0

sinx

cosxdxを置換積分出来れば、造作もない問題のはず。

参照

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