積分問題bot15

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積分問題bot15

 

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の15番の問題です。

 

 

思考

分母を因数分解して部分分数分解していきます。

 

計算

\(\displaystyle\int\displaystyle\frac{x^2}{x^4+1}dx=\displaystyle\int\displaystyle\frac{x^2}{(x^2-\sqrt{2}x+1)(x^2+\sqrt{2}+1)}dx\)

部分分数分解してlogの出てくる積分を見据えた変形をします。

 

\(=\displaystyle\frac{\sqrt2}{8}\displaystyle\int\displaystyle\frac{(2x-\sqrt2)+\sqrt2}{x^2-\sqrt{2}x+1}dx-\displaystyle\frac{\sqrt2}{8}\displaystyle\int\displaystyle\frac{(2x+\sqrt2)-\sqrt2}{x^2+\sqrt{2}x+1}dx\)

 

 

\(=\displaystyle\frac{\sqrt2}{8}\displaystyle\int\displaystyle\frac{2x-\sqrt2}{x^2-\sqrt{2}x+1}dx\)\(+\displaystyle\frac{1}{4}\displaystyle\int\displaystyle\frac{dx}{\biggl(x-\displaystyle\frac{\sqrt2}{2}\biggr)^2+\biggl(\displaystyle\frac{\sqrt2}{2}\biggr)^2}\)

 

\(-\displaystyle\frac{\sqrt2}{8}\displaystyle\int\displaystyle\frac{2x+\sqrt2}{x^2+\sqrt{2}x+1}dx+\) \(\displaystyle\frac{1}{4}\displaystyle\int\displaystyle\frac{dx}{\biggl(x+\displaystyle\frac{\sqrt2}{2}\biggr)^2+\biggl(\displaystyle\frac{\sqrt2}{2}\biggr)^2}\)

 

 

\(=\displaystyle\frac{\sqrt2}{8}\log\biggl(\displaystyle\frac{x^2-\sqrt{2}x+1}{x^2+\sqrt{2}x+1}\biggr)+\displaystyle\frac{\sqrt2}{4}\tan^{-1}(\sqrt{2}x-1)+\displaystyle\frac{\sqrt2}{4}\tan^{-1}(\sqrt{2}x+1)+C\)

 

※最後の変形で \(\tan^{-1}x\) が登場する積分に関しては以下の事実を使用しました。

 

分母が二次式の積分を解説していきます。

 

答え

\(\displaystyle\frac{\sqrt2}{8}\log\biggl(\displaystyle\frac{x^2-\sqrt{2}x+1}{x^2+\sqrt{2}x+1}\biggr)+\displaystyle\frac{\sqrt2}{4}\tan^{-1}(\sqrt{2}x-1)+\displaystyle\frac{\sqrt2}{4}\tan^{-1}(\sqrt{2}x+1)+C\)

 

 

 

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