定積分 $\int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} \{(1+x)\sin x + (1-x)\cos x\} dx$ を計算する。

解析学定積分部分積分三角関数
2025/6/29

1. 問題の内容

定積分 03π4{(1+x)sinx+(1x)cosx}dx\int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} \{(1+x)\sin x + (1-x)\cos x\} dx を計算する。

2. 解き方の手順

まず、積分の中身を展開します。
(1+x)sinx+(1x)cosx=sinx+xsinx+cosxxcosx(1+x)\sin x + (1-x)\cos x = \sin x + x\sin x + \cos x - x\cos x
積分を分解します。
03π4{(1+x)sinx+(1x)cosx}dx=03π4(sinx+cosx+xsinxxcosx)dx\int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} \{(1+x)\sin x + (1-x)\cos x\} dx = \int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} (\sin x + \cos x + x\sin x - x\cos x) dx
=03π4sinxdx+03π4cosxdx+03π4xsinxdx03π4xcosxdx= \int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} \sin x dx + \int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} \cos x dx + \int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} x\sin x dx - \int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} x\cos x dx
部分積分を使って、xsinxdx\int x\sin x dxxcosxdx\int x\cos x dx を計算します。
xsinxdx=xcosx+cosxdx=xcosx+sinx+C1\int x\sin x dx = -x\cos x + \int \cos x dx = -x\cos x + \sin x + C_1
xcosxdx=xsinxsinxdx=xsinx+cosx+C2\int x\cos x dx = x\sin x - \int \sin x dx = x\sin x + \cos x + C_2
したがって、
03π4xsinxdx=[xcosx+sinx]03π4=3π4cos(3π4)+sin(3π4)(0)=3π4(22)+22=3π28+22\int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} x\sin x dx = [-x\cos x + \sin x]_{0}^{\frac{3\pi}{4}} = -\frac{3\pi}{4}\cos(\frac{3\pi}{4}) + \sin(\frac{3\pi}{4}) - (0) = -\frac{3\pi}{4}(-\frac{\sqrt{2}}{2}) + \frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{3\pi\sqrt{2}}{8} + \frac{\sqrt{2}}{2}
03π4xcosxdx=[xsinx+cosx]03π4=3π4sin(3π4)+cos(3π4)(0+1)=3π4(22)221=3π28221\int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} x\cos x dx = [x\sin x + \cos x]_{0}^{\frac{3\pi}{4}} = \frac{3\pi}{4}\sin(\frac{3\pi}{4}) + \cos(\frac{3\pi}{4}) - (0 + 1) = \frac{3\pi}{4}(\frac{\sqrt{2}}{2}) - \frac{\sqrt{2}}{2} - 1 = \frac{3\pi\sqrt{2}}{8} - \frac{\sqrt{2}}{2} - 1
03π4sinxdx=[cosx]03π4=cos(3π4)+cos(0)=(22)+1=22+1\int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} \sin x dx = [-\cos x]_{0}^{\frac{3\pi}{4}} = -\cos(\frac{3\pi}{4}) + \cos(0) = -(-\frac{\sqrt{2}}{2}) + 1 = \frac{\sqrt{2}}{2} + 1
03π4cosxdx=[sinx]03π4=sin(3π4)sin(0)=220=22\int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} \cos x dx = [\sin x]_{0}^{\frac{3\pi}{4}} = \sin(\frac{3\pi}{4}) - \sin(0) = \frac{\sqrt{2}}{2} - 0 = \frac{\sqrt{2}}{2}
したがって、
03π4(sinx+cosx+xsinxxcosx)dx=(22+1)+(22)+(3π28+22)(3π28221)=22+1+22+3π28+223π28+22+1=2+22\int_{0}^{\frac{3\pi}{4}} (\sin x + \cos x + x\sin x - x\cos x) dx = (\frac{\sqrt{2}}{2} + 1) + (\frac{\sqrt{2}}{2}) + (\frac{3\pi\sqrt{2}}{8} + \frac{\sqrt{2}}{2}) - (\frac{3\pi\sqrt{2}}{8} - \frac{\sqrt{2}}{2} - 1) = \frac{\sqrt{2}}{2} + 1 + \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{3\pi\sqrt{2}}{8} + \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{3\pi\sqrt{2}}{8} + \frac{\sqrt{2}}{2} + 1 = 2 + 2\sqrt{2}

3. 最終的な答え

22+22\sqrt{2} + 2

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