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無理関数を分母に含む積分

◆第問目!

【 難易度 ★★ 】
  次の定積分を求めよ $$\large{\int_0^1 \frac{x}{\sqrt{x+1}} \hspace{1pt}dx}$$

\({\hspace{2pt}t=\sqrt{x+1}\hspace{2pt}}\)と置き換えて積分します

【解答のポイント】

置換積分法から変数を置き換えて積分します。

\({\displaystyle\int \frac{x}{\sqrt{x+1}}\hspace{1pt} dx}\) のように、ルートの内側が \({x}\) の1次式である場合は、\({t=\sqrt{x+1}}\) と根号を含めて置換して積分できます。

【解答】

\({t = \sqrt{x+1}}\) とおくと、\({t^2=x+1}\) から \({x=t^2 -1}\) となります。

ここで、\({t = \sqrt{x+1}}\) から、変数\({x}\) の範囲に対応する 変数\({t}\) の範囲を求めると、以下のようになります。

\({x}\) \({0 \to 1}\)
\({t}\) \({1 \to \sqrt{2}}\)

\({x=t^2 -1}\) の両辺を \({t}\) で微分すると $${\frac{dx}{dt} = 2t}$$ となります。

変数を置き換えて積分すると、以下のようになります。

$$ \begin{aligned} \hspace{10pt}& \int_0^1 \frac{x}{\sqrt{x+1}} \hspace{1pt}dx \\[1em] &= \int_1^{\sqrt{2}} \frac{t^2 -1}{t} \cdot 2t \hspace{1pt}dt\\[1em] &= 2 \int_1^{\sqrt{2}} (t^2 -1) \hspace{1pt}dt\\[1em] &= 2 \left[\frac{1}{3}t^3 - t \right]_1^{\sqrt{2}}\\[1em] &= \frac{2}{3}(2\sqrt{2} -1) -2(\sqrt{2}-1)\\[1em] &= \frac{2}{3}(2-\sqrt{2})\\[1em] \end{aligned} $$

【関連するページ】
置換積分法

 【出題範囲】   【難易度


 




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