質問<2412>
「「不定積分」」
日付 2005/6/8
質問者 もくり


不定積分∫cosx/(1+sinx) dxを2通りの方法で求めよ。
(1)sinx=tとおく
(2)tan(\(\frac{x}{2}\))=tとおく

★希望★完全解答★

お便り
日付 2005/6/13
回答者 kino


C は積分定数です。

(1) dt=cosx*dx なので
∫(cosx/(1+sinx))dx=∫dt/(1+t)=log|1+t|+C=log(1+sinx)+C.

(2) 1+ta\(n^{2}\)(\(\frac{x}{2}\))=\(\frac{1}{c}\)o\(s^{2}\)(\(\frac{x}{2}\)) より co\(s^{2}\)(\(\frac{x}{2}\))=1/(1+\(t^{2}\)). また
sinx=2sin(\(\frac{x}{2}\))cos(\(\frac{x}{2}\))=2tan(\(\frac{x}{2}\))co\(s^{2}\)(\(\frac{x}{2}\))=2t/(1+\(t^{2}\)),
cosx=2co\(s^{2}\)(\(\frac{x}{2}\))-1=2/(1+\(t^{2}\))-1=(1-\(t^{2}\))/(1+\(t^{2}\)).
そして dt=dx/(2co\(s^{2}\)(\(\frac{x}{2}\)))=(1+\(t^{2}\))d\(\frac{x}{2}\) より dx={2/(1+\(t^{2}\))}dt.
以上より,
∫(cosx/(1+sinx))dx
=∫{(1-\(t^{2}\))/(1+t\()^{2}\)}{2/(1+\(t^{2}\))}dt
=2∫(1-t)dt/(1+t)(1+\(t^{2}\)).
ここで,
(1-t)/{(1+t)(1+\(t^{2}\))}=a/(1+t)+(bt+c)/(1+\(t^{2}\))
とおいて a, b を定めます。右辺を通分すると
(分子)=a(1+\(t^{2}\))+(1+t)(bt+c)=(a+b)\(t^{2}\)+(b+c)t+(c+a)
となるので,これが 1-t に恒等的に等しいためには
a+b=0, b+c=-1, c+a=1 でなければなりません。
この連立方程式を解くと,a=1, b=-1. c=0 となります。よって
(1-t)/{(1+t)(1+\(t^{2}\))}=1/(1+t)-t/(1+\(t^{2}\))
と部分分数に分解されます。よって
2∫dt/(1+t)(1+\(t^{2}\))
=2{∫dt/(1+t)-∫tdt/(1+\(t^{2}\))}
=2log|1+t|-log(1+\(t^{2}\))+C
=log{(1+t\()^{2}\)/(1+\(t^{2}\))}+C.
ここで,1+si\(n^{2}\)(x)=(1+t\()^{2}\)/(1+\(t^{2}\)) であることから,
(1) と (2) で得られた結果は同じものであることがわかります。

お便り
日付 2005/6/13
回答者 wakky


通常は(1)の方法でやるのが定石でしょうねぇ。
cosx/(1+sinx)=(1+sinx)’/(1+sinx)
ですから
log|1+sinX|+Cってところでしょうね。
どんな参考書にも出てると思いますよ
(2)はこの問題を解くときには使わないと思いますが、
多分、この置換で、大抵の三角関数の積分ができるという事例を示したかった
のでしょう。
ちなみに、次の法則じみたものを示しておきます。
積分の∫記号は省略します。
f(sinx)cosxのとき・・・sinx=tと置換
f(cosx)sinxのとき・・・cosx=tと置換
f(tanx、cos^2x、sin^2x)のとき、tanx=tと置換
その他の場合
tan(x/2)=tと置換
こんな感じで(2)をやってみてください
いささか酔ってますので、間違ってたらごめんなさいね(笑

お便り
日付 2005/6/15
回答者 wu


∫cosx/(1+sinx) dx
(1)
t=SINxとおくdx/dt=1/COSxであるから
 (与式)=∫(COSx/(1+t))(dx/dt)dt
     =∫1/(1+t)dt
     =∫(1+t)'/(1+t)dx
     =log(1+t)+C
     =log(1+SINx)+C  (Cは定数)

(2)
(与式)=∫(COSsの2乗-SINsの2乗)/(1+2SINsCOSs)dx
(但しs=x/2、dx/dt=2COSxの2乗))
   =∫(上と同じ式)×2COSsの2乗×dt
   =∫(COSsの2乗-SINsの2乗)/(1+SINsCOSs)×(COSsの2乗)dt
  (ここで二倍角の定理)
ここで、TANs=t、1/(COSsの2乗)=tの2乗+1であることを考え合わせると
(与式)=2∫(1-t2乗)/(1/(COSt2乗)+t)(COSt2乗)dt
   =2∫(1-t2乗)/(2t+1+t2乗)×1/(1+t2乗)dt
   =2∫(1-t)/{(1+t)(1+t2乗)}dt (式整理)
   =2∫{1/(t+1)-t/(t2乗+1)}
   =2{log(t+1)-(\(\frac{1}{2}\))log(t2乗+1)}+C
(以下C一部省略)   
   =log{(t2乗+2t+1)/(t2乗+1)}
   =log{1+2t/(t2乗+1)}
   =log{1+2TANs/(TANs2乗+1)}
   =log{1+2SINsCOSs/(SIN2乗+COS2乗)}
   =log(1+SINx)+C (二倍角の定理)

お便り
日付 2006/9/18
回答者 maro


質問<2412>のWUさんの解答の中で
(与式)=∫(COSsの2乗-SINsの2乗)/(1+2SINsCOSs)dx
(但しs=x/2、dx/dt=2COSxの2乗))
   =∫(上と同じ式)×2COSsの2乗×dt
   =∫(COSsの2乗-SINsの2乗)/(1+SINsCOSs)×(COSsの2乗)dt
とありますが、
∫(co\(s^{2}\)q-si\(n^{2}\)q)/(1+2sinqcosq)・2co\(s^{2}\)q・dx
=∫(co\(s^{2}\)q-si\(n^{2}\)q)/(1+sinqcosq)・co\(s^{2}\)q・dt
※本来はsですが見にくくなるのでqに変えてあります
と変化する過程がわかりません。
どなたか詳しくお願いします。

お便り
日付 2006/10/7
回答者 主夫


私は解答者さん本人ではありませんので,真意はわかりませんが,
おそらく
∫(co\(s^{2}\)q-si\(n^{2}\)q)/(1+2sinqcosq)・2co\(s^{2}\)q・dx
ここのところを
∫(co\(s^{2}\)q-si\(n^{2}\)q)/(2+2sinqcosq)・2co\(s^{2}\)q・dx
と間違えて約分されたのではないかなぁと思います。

そのほかの部分は検証していませんので,最終的な答えが正しいのかどうかは
わかりかねます。