∫1/(x^2+1)^2　の不定積分がわかりません

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質問者：norisio2000
質問日時：2012/07/21 14:19
回答数：1件

∫1/(x^2+1)^2　の不定積分がわかりません

答えは

( 1/2 )*( (x/(x^2+1)) + tan-1(x) )

となるようですが、過程がまったくわかりません。
部分積分、置換積分、部分分数分解をためしてみましたが、できませんでした・・・。

見づらく申し訳ありません。画像を参照していただければと思います。
よろしくおねがいします。

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回答 (1件)

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No.1ベストアンサー

回答者： alice_44
回答日時：2012/07/21 14:36

1/(x^2+1)^2 = (x^2+1)/(x^2+1)^2 - x^2/(x^2+1)^2

= 1/(x^2+1) - (1/2) x・(2x)/(x^2+1)^2
と分解しよう。

∫{ x・(2x)/(x^2+1)^2 }dx は、
∫{ (2x)/(x^2+1)^2 }dx が容易であることを用いて、
部分積分する。

∫{ 1/(x^2+1) }dx は、arctan の定義式だから、
知らなければどうしようもない。
(x=tanθ と置くのは、結論の先取で好ましくない。)

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この回答へのお礼

無事解くことができました。１日中悩んでいたので本当にうれしいです。
丁寧に教えていただきありがとうございます！

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お礼日時：2012/07/21 15:12

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積分の定義というか微分の定義というかに戻って欲しいんですが
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(d/dx)Ｆ(x)＝f(x)です。

また、微分で
(d/dx)x^a＝a*x^(a-1)になります　…高校数学の数３で習うかと
よって、
∫x^(a-1)dx＝(1/a)*x^a＋Ｃ
→∫x^adx＝{1/(a+1)}*x^(a+1)＋Ｃ
となります。

つまり、
∫1/x^2 dx＝∫x^(-2)dx
＝{1/(-2+1)}*x^(-2+1)＋Ｃ
＝－x^(-1)＋Ｃ
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1/2 ∫ (u+1) (u^ -2) du

1/2 ∫ ( u ^ -1 + u ^ -2) du

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I=∫(2x)/(2x - 1) ^2 dx=∫(u+1)/u^2 (1/2)du

>これを私流に計算していくと　

>∫(2x)/(2x - 1) ^2 　du/2 ←同じ積分の式では1つの積分変数しか使っては使っていけないよ。　

>1/2 ∫ (u+1) (u^ -2) du
I=(1/2) ∫ (u+1) u^(-2) du

>(1/2) ∫ ( u ^-1 + u ^-2 ) du
I=(1/2) ∫ ( u ^(-1) + u ^(-2) ) du

>ここで途中計算の質問なのですがこれを積分すると
>1/2[ u ^0 - (u ^ -1)]　+　ｃ　→1/2 [ - (u ^ -1)]　+　ｃ　となっていいのでしょうか？
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答えは
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です。
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ふつうに書き始めましたが、多重括弧で目が回り、全角になってしまいました。御検証ください。
log|{x-1+√(x^2+1)}/{x+1+√(x^2+1)}|

　　　　　｜ｘ－１＋√（ｘ＾２＋１）｜
　Ｌｏｇ　――――――――――――
　　　　　｜ｘ＋１＋√（ｘ＾２＋１）｜

　　　　　｜［ｘ－１＋√（ｘ＾２＋１）］［ｘ＋１ー√（ｘ＾２＋１）］｜
＝Ｌｏｇ―――――――――――――――――――――――――
　　　　　　｜［ｘ＋１＋√（ｘ＾２＋１）］［ｘ＋１ー√（ｘ＾２＋１）］｜

　　　　　｜［ｘ－（１－√（ｘ＾２＋１））］［ｘ＋（１ー√（ｘ＾２＋１））］｜
＝Ｌｏｇ―――――――――――――――――――――――――
　　　　　　　　　　　　　　｜（ｘ＋１）＾２－（ｘ＾２＋１）｜

　　　　　｜ｘ＾２－（１－√（ｘ＾２＋１））＾２｜
＝Ｌｏｇ―――――――――――――――
　　　　　　　　　　　　　　｜２ｘ｜

　　　　　｜ｘ＾２－１＋２√（ｘ＾２＋１）－ｘ＾２－１｜
＝Ｌｏｇ――――――――――――――――――
　　　　　　　　　　　　　　｜２ｘ｜

　　　　　－１＋２√（ｘ＾２＋１）－１
＝Ｌｏｇ――――――――――――
　　　　　　　　　　　　　　｜２ｘ｜

　　　　　√（ｘ＾２＋１）－１
＝Ｌｏｇ―――――――――
　　　　　　　　｜ｘ｜

　　　　　［√（ｘ＾２＋１）－１］［√（ｘ＾２＋１）＋１］
＝Ｌｏｇ―――――――――――――――――
　　　　　　　　｜ｘ［√（ｘ＾２＋１）＋１］｜

　　　　　　　　　｜ｘ＾２｜
＝Ｌｏｇ――――――――――――
　　　　　｜ｘ［√（ｘ＾２＋１）＋１］｜

　　　　　　　　　　　｜ｘ｜
＝Ｌｏｇ――――――――――――
　　　　　　√（ｘ＾２＋１）＋１

＝Ｌｏｇ｜ｘ｜－Ｌｏｇ［１＋√（ｘ＾２＋１）］
------------------------------------------------------------

1/2log|√(x^2+1)-1/√(x^2+1)+1|

　　　１　　　　　　　　√（ｘ＾２＋１）－１
　――― ・Ｌｏｇ――――――――――――
　　　２　　　　　　　　√（ｘ＾２＋１）＋１

　　　１　　　　　　　　［√（ｘ＾２＋１）－１］［√（ｘ＾２＋１）＋１］
＝――― ・Ｌｏｇ―――――――――――――――――
　　　２　　　　　　　　［√（ｘ＾２＋１）＋１］［√（ｘ＾２＋１）＋１］

　　　１　　　　　　　　　　　　｜ｘ＾２｜
＝――― ・Ｌｏｇ――――――――――――
　　　２　　　　　　　　［√（ｘ＾２＋１）＋１］^２

　　　　　　　　　　　　｜ｘ｜
＝Ｌｏｇ――――――――――――
　　　　　　　√（ｘ＾２＋１）＋１

＝Ｌｏｇ｜ｘ｜－Ｌｏｇ［１＋√（ｘ＾２＋１）］
-----------------------------------------------------------