解決済み

この積分の解法を教えてください


x2+x+1x2+1 dx\int \dfrac{x^2 + x +1}{ x^2+1}\ dx


次数変形が苦手なのでコツも教えて貰えると助かります。

ベストアンサー

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 一般に有理式の積分で、分子の次数が分母の次数と等しいかそれより大きい場合は、分子を分母で割り算します。たとえば

x3+x2+1x+5dx\int \frac{x^3 + x^2 + 1}{x + 5} dx

という積分では、分子を分母で割ると

x3+x2+1=(x+5)(x24x+20)99x^3 + x^2 + 1 = (x + 5)(x^2 - 4x + 20) - 99

となります。よって

x3+x2+1x+5dx=1x+5{(x+5)(x24x+20)99}dx={x24x+2099x+5}dx\begin{aligned}\int \frac{x^3 + x^2 + 1}{x + 5} dx &= \int \frac{1}{x + 5} \left\{ (x + 5)(x^2 - 4x + 20) - 99 \right\} dx \\ &= \int \left\{ x^2 - 4x + 20 - \frac{99}{x + 5} \right\} dx\end{aligned}

と変形でき、多項式の積分と、分子が分母より次数の小さな有理式の積分とに帰着します。


 これを今の問題に適用してみると

x2+x+1x2+1dx=1x2+1{(x2+1)×1+x}dx={1+xx2+1}dx\begin{aligned}\int \frac{x^2 + x + 1}{x^2 + 1}dx &= \int \frac{1}{x^2 + 1} \left\{ (x^2 + 1) \times 1 + x \right\} dx\\ &= \int \left\{ 1 + \frac{x}{x^2 + 1} \right\}dx\end{aligned}

と変形でき、多項式の積分 dx\displaystyle{\int dx} と、有理式の積分

xx2+1dx(1)\int \frac{x}{x^2 + 1} dx \tag{1}

とに帰着します。ここで

f(x)f(x)dx=logf(x)\int \frac{f'(x)}{f(x)} dx = \log |f(x)|

という公式で (1)(1) の積分を計算します。(1)(1) の分母の微分は (x2+1)=2x(x^2 + 1)' = 2x、分子は xx で、これらは単に定数倍の違いしかないので、適当な定数をかけて補正すれば

xx2+1dx=122xx2+1dx=12logx2+1\int \frac{x}{x^2 + 1} dx = \frac{1}{2} \int \frac{2x}{x^2 + 1} dx = \frac{1}{2} \log |x^2 + 1|

と計算できます。

 以上のことを整理して

x2+x+1x2+1dx=x+12log(x2+1)+C\int \frac{x^2 + x + 1}{x^2 + 1}dx = x + \frac{1}{2} \log (x^2 + 1) + C

を得ます。


質問者からのお礼コメント

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詳しくありがとうございます。

大変助かりました。

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