まずはカッコを展開して4つの積分に分ける解法を紹介します。
解
(x2+1+x2x)(1+(1+x2)1+x2x)=x2+1+x2x+(1+x2)1+x2x3+(1+x2)2x2
となる。各項で計算をする。
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1項目
∫01x2dx=31
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2項目
∫011+x2xdx=∫01211+x2(1+x2)′=[(1+x2)21]01=2−1
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3項目
∫01(1+x2)1+x2x3dx=∫01(1−1+x21)1+x2xdx=∫0121((1+x2)−21−(1+x2)−23)(1+x2)′dx=[(1+x2)21+(1+x2)−21]01=2+21−1−1=232−2
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4項目
∫01(1+x2)2x2dx=21∫01(1+x2)2x(1+x2)′dx=21[−(1+x2)x]01+21∫011+x2dx=−41+8π(部分積分)
なお,
∫011+x2dx=∫04π1+tan2θ1cos2θ1dθ=∫04πdθ=4π
と計算した。
以上を足すと
∫01(x2+1+x2x)(1+(1+x2)1+x2x)dx=31+(2−1)+(232−2)+(8π−41)=−1235+252+8π
となる。
4項目の部分積分を思いつけるかどうかがミソになります。xex2 の積分の経験があると思いつきやすいかもしれません。
置換する方法
1+x2 の形が現れたら x=tanθ と置き換えたくなりますね。 4項目を置換積分で計算してみましょう。
解
∫01(1+x2)2x2dx=∫04π(cos2θ1)2tan2θcos2θdθ=∫04πsin2θ=∫04π21−cos2θdθ=21[θ−21sin2θ]04π=8π−41