$$$\frac{t^{2}}{t^{2} - 2}$$$の積分

この計算機は、手順を示しながら$$$\frac{t^{2}}{t^{2} - 2}$$$の不定積分(原始関数)を求めます。

関連する計算機: 定積分・広義積分計算機

$$$dx$$$$$$dy$$$ などの微分記号を使わずに書いてください。
自動検出のため、空欄のままにしてください。

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入力内容

$$$\int \frac{t^{2}}{t^{2} - 2}\, dt$$$ を求めよ。

解答

分数を変形して分解する:

$${\color{red}{\int{\frac{t^{2}}{t^{2} - 2} d t}}} = {\color{red}{\int{\left(1 + \frac{2}{t^{2} - 2}\right)d t}}}$$

項別に積分せよ:

$${\color{red}{\int{\left(1 + \frac{2}{t^{2} - 2}\right)d t}}} = {\color{red}{\left(\int{1 d t} + \int{\frac{2}{t^{2} - 2} d t}\right)}}$$

$$$c=1$$$ に対して定数則 $$$\int c\, dt = c t$$$ を適用する:

$$\int{\frac{2}{t^{2} - 2} d t} + {\color{red}{\int{1 d t}}} = \int{\frac{2}{t^{2} - 2} d t} + {\color{red}{t}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(t \right)}\, dt = c \int f{\left(t \right)}\, dt$$$ を、$$$c=2$$$$$$f{\left(t \right)} = \frac{1}{t^{2} - 2}$$$ に対して適用する:

$$t + {\color{red}{\int{\frac{2}{t^{2} - 2} d t}}} = t + {\color{red}{\left(2 \int{\frac{1}{t^{2} - 2} d t}\right)}}$$

部分分数分解を行う (手順は»で確認できます):

$$t + 2 {\color{red}{\int{\frac{1}{t^{2} - 2} d t}}} = t + 2 {\color{red}{\int{\left(- \frac{\sqrt{2}}{4 \left(t + \sqrt{2}\right)} + \frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)}\right)d t}}}$$

項別に積分せよ:

$$t + 2 {\color{red}{\int{\left(- \frac{\sqrt{2}}{4 \left(t + \sqrt{2}\right)} + \frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)}\right)d t}}} = t + 2 {\color{red}{\left(\int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t} - \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t + \sqrt{2}\right)} d t}\right)}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(t \right)}\, dt = c \int f{\left(t \right)}\, dt$$$ を、$$$c=\frac{\sqrt{2}}{4}$$$$$$f{\left(t \right)} = \frac{1}{t + \sqrt{2}}$$$ に対して適用する:

$$t + 2 \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t} - 2 {\color{red}{\int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t + \sqrt{2}\right)} d t}}} = t + 2 \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t} - 2 {\color{red}{\left(\frac{\sqrt{2} \int{\frac{1}{t + \sqrt{2}} d t}}{4}\right)}}$$

$$$u=t + \sqrt{2}$$$ とする。

すると $$$du=\left(t + \sqrt{2}\right)^{\prime }dt = 1 dt$$$(手順は»で確認できます)、$$$dt = du$$$ となります。

この積分は次のように書き換えられる

$$t + 2 \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t} - \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\int{\frac{1}{t + \sqrt{2}} d t}}}}{2} = t + 2 \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t} - \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2}$$

$$$\frac{1}{u}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$ です:

$$t + 2 \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t} - \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2} = t + 2 \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t} - \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2}$$

次のことを思い出してください $$$u=t + \sqrt{2}$$$:

$$t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2} + 2 \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t} = t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(t + \sqrt{2}\right)}}}\right| \right)}}{2} + 2 \int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(t \right)}\, dt = c \int f{\left(t \right)}\, dt$$$ を、$$$c=\frac{\sqrt{2}}{4}$$$$$$f{\left(t \right)} = \frac{1}{t - \sqrt{2}}$$$ に対して適用する:

$$t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} + 2 {\color{red}{\int{\frac{\sqrt{2}}{4 \left(t - \sqrt{2}\right)} d t}}} = t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} + 2 {\color{red}{\left(\frac{\sqrt{2} \int{\frac{1}{t - \sqrt{2}} d t}}{4}\right)}}$$

$$$u=t - \sqrt{2}$$$ とする。

すると $$$du=\left(t - \sqrt{2}\right)^{\prime }dt = 1 dt$$$(手順は»で確認できます)、$$$dt = du$$$ となります。

積分は次のようになります

$$t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} + \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\int{\frac{1}{t - \sqrt{2}} d t}}}}{2} = t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} + \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2}$$

$$$\frac{1}{u}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$ です:

$$t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} + \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2} = t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} + \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2}$$

次のことを思い出してください $$$u=t - \sqrt{2}$$$:

$$t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2} = t - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(t - \sqrt{2}\right)}}}\right| \right)}}{2}$$

したがって、

$$\int{\frac{t^{2}}{t^{2} - 2} d t} = t + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t - \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{t^{2}}{t^{2} - 2} d t} = t + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t - \sqrt{2}}\right| \right)}}{2} - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right| \right)}}{2}+C$$

解答

$$$\int \frac{t^{2}}{t^{2} - 2}\, dt = \left(t + \frac{\sqrt{2} \ln\left(\left|{t - \sqrt{2}}\right|\right)}{2} - \frac{\sqrt{2} \ln\left(\left|{t + \sqrt{2}}\right|\right)}{2}\right) + C$$$A


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