与えられた定積分の値を求める問題です。 (1) $\int_1^4 |x^3 - 9x| dx$ (2) $\int_{-\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{4}} |\sin\theta| d\theta$ (3) $\int_{-4}^{5} |\sqrt{x+4} - 2| dx$ (4) $\int_0^2 |e^x - e| dx$

解析学定積分絶対値積分
2025/6/26

1. 問題の内容

与えられた定積分の値を求める問題です。
(1) 14x39xdx\int_1^4 |x^3 - 9x| dx
(2) π4π4sinθdθ\int_{-\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{4}} |\sin\theta| d\theta
(3) 45x+42dx\int_{-4}^{5} |\sqrt{x+4} - 2| dx
(4) 02exedx\int_0^2 |e^x - e| dx

2. 解き方の手順

(1) 14x39xdx\int_1^4 |x^3 - 9x| dx
f(x)=x39x=x(x29)=x(x3)(x+3)f(x) = x^3 - 9x = x(x^2 - 9) = x(x-3)(x+3)
f(x)f(x) の符号は 1x41 \le x \le 4x=3x=3 で変わります。
したがって、1x31 \le x \le 3f(x)0f(x) \le 0 であり、3x43 \le x \le 4f(x)0f(x) \ge 0 です。
14x39xdx=13(x39x)dx+34(x39x)dx\int_1^4 |x^3 - 9x| dx = -\int_1^3 (x^3 - 9x) dx + \int_3^4 (x^3 - 9x) dx
=[x449x22]13+[x449x22]34= -\left[ \frac{x^4}{4} - \frac{9x^2}{2} \right]_1^3 + \left[ \frac{x^4}{4} - \frac{9x^2}{2} \right]_3^4
=[814812(1492)]+[25641442(814812)]= -\left[ \frac{81}{4} - \frac{81}{2} - \left( \frac{1}{4} - \frac{9}{2} \right) \right] + \left[ \frac{256}{4} - \frac{144}{2} - \left( \frac{81}{4} - \frac{81}{2} \right) \right]
=[814+174]+[6472(814)]= -\left[ -\frac{81}{4} + \frac{17}{4} \right] + \left[ 64 - 72 - \left( -\frac{81}{4} \right) \right]
=644+[8+814]=168+814=8+814=32+814=1134= \frac{64}{4} + \left[ -8 + \frac{81}{4} \right] = 16 - 8 + \frac{81}{4} = 8 + \frac{81}{4} = \frac{32+81}{4} = \frac{113}{4}
(2) π4π4sinθdθ\int_{-\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{4}} |\sin\theta| d\theta
sinθ\sin\theta の符号は θ=0\theta = 0 で変わります。
π4π4sinθdθ=π40sinθdθ+0π4sinθdθ\int_{-\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{4}} |\sin\theta| d\theta = -\int_{-\frac{\pi}{4}}^0 \sin\theta d\theta + \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sin\theta d\theta
=[cosθ]π40[cosθ]0π4=[112][121]= \left[ \cos\theta \right]_{-\frac{\pi}{4}}^0 - \left[ \cos\theta \right]_0^{\frac{\pi}{4}} = \left[ 1 - \frac{1}{\sqrt{2}} \right] - \left[ \frac{1}{\sqrt{2}} - 1 \right]
=11212+1=222=22= 1 - \frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}} + 1 = 2 - \frac{2}{\sqrt{2}} = 2 - \sqrt{2}
(3) 45x+42dx\int_{-4}^{5} |\sqrt{x+4} - 2| dx
x+42=0x+4=2x+4=4x=0\sqrt{x+4} - 2 = 0 \Leftrightarrow \sqrt{x+4} = 2 \Leftrightarrow x+4 = 4 \Leftrightarrow x = 0
45x+42dx=40(x+42)dx+05(x+42)dx\int_{-4}^{5} |\sqrt{x+4} - 2| dx = -\int_{-4}^0 (\sqrt{x+4} - 2) dx + \int_0^5 (\sqrt{x+4} - 2) dx
=[23(x+4)322x]40+[23(x+4)322x]05= -\left[ \frac{2}{3} (x+4)^{\frac{3}{2}} - 2x \right]_{-4}^0 + \left[ \frac{2}{3} (x+4)^{\frac{3}{2}} - 2x \right]_0^5
=[23(4)320(0(8))]+[23(9)3210(23(4)320)]= -\left[ \frac{2}{3} (4)^{\frac{3}{2}} - 0 - (0 - (-8)) \right] + \left[ \frac{2}{3} (9)^{\frac{3}{2}} - 10 - (\frac{2}{3} (4)^{\frac{3}{2}} - 0) \right]
=[23(8)8]+[23(27)1023(8)]= -\left[ \frac{2}{3} (8) - 8 \right] + \left[ \frac{2}{3} (27) - 10 - \frac{2}{3} (8) \right]
=[1638]+[1810163]=163+8+8163=16323=48323=163= -\left[ \frac{16}{3} - 8 \right] + \left[ 18 - 10 - \frac{16}{3} \right] = -\frac{16}{3} + 8 + 8 - \frac{16}{3} = 16 - \frac{32}{3} = \frac{48 - 32}{3} = \frac{16}{3}
(4) 02exedx\int_0^2 |e^x - e| dx
exe=0ex=ex=1e^x - e = 0 \Leftrightarrow e^x = e \Leftrightarrow x = 1
02exedx=01(exe)dx+12(exe)dx\int_0^2 |e^x - e| dx = -\int_0^1 (e^x - e) dx + \int_1^2 (e^x - e) dx
=[exex]01+[exex]12=[ee(10)e0]+[e22e(ee)]= -\left[ e^x - ex \right]_0^1 + \left[ e^x - ex \right]_1^2 = -\left[ e - e - (1 - 0)e^0 \right] + \left[ e^2 - 2e - (e - e) \right]
=[01]+[e22e]=1+e22e=(e1)2= -[0-1] + [e^2 - 2e] = 1 + e^2 - 2e = (e-1)^2

3. 最終的な答え

(1) 1134\frac{113}{4}
(2) 222 - \sqrt{2}
(3) 163\frac{16}{3}
(4) (e1)2(e-1)^2

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