与えられた定積分を計算します。 (1) $\int_{0}^{2} x^4 \sqrt{4-x^2} dx$ (2) $\int_{0}^{2} x^2 \sqrt{2x-x^2} dx$

解析学定積分置換積分三角関数
2025/7/3

1. 問題の内容

与えられた定積分を計算します。
(1) 02x44x2dx\int_{0}^{2} x^4 \sqrt{4-x^2} dx
(2) 02x22xx2dx\int_{0}^{2} x^2 \sqrt{2x-x^2} dx

2. 解き方の手順

(1) 02x44x2dx\int_{0}^{2} x^4 \sqrt{4-x^2} dx
x=2sinθx = 2\sin{\theta} と置換すると、dx=2cosθdθdx = 2\cos{\theta} d\theta となります。
x=0x=0 のとき、θ=0\theta = 0 であり、x=2x=2 のとき、θ=π2\theta = \frac{\pi}{2} となります。
4x2=44sin2θ=4cos2θ=2cosθ\sqrt{4-x^2} = \sqrt{4-4\sin^2{\theta}} = \sqrt{4\cos^2{\theta}} = 2\cos{\theta}
よって、
02x44x2dx=0π2(2sinθ)4(2cosθ)(2cosθ)dθ\int_{0}^{2} x^4 \sqrt{4-x^2} dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (2\sin{\theta})^4 (2\cos{\theta}) (2\cos{\theta}) d\theta
=0π216sin4θ4cos2θdθ=640π2sin4θcos2θdθ= \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 16\sin^4{\theta} \cdot 4\cos^2{\theta} d\theta = 64\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^4{\theta} \cos^2{\theta} d\theta
ここで、sin2θ=1cos2θ2\sin^2{\theta} = \frac{1-\cos{2\theta}}{2}cos2θ=1+cos2θ2\cos^2{\theta} = \frac{1+\cos{2\theta}}{2} を用います。
sin4θ=(sin2θ)2=(1cos2θ2)2=14(12cos2θ+cos22θ)\sin^4{\theta} = (\sin^2{\theta})^2 = (\frac{1-\cos{2\theta}}{2})^2 = \frac{1}{4}(1-2\cos{2\theta} + \cos^2{2\theta})
cos22θ=1+cos4θ2\cos^2{2\theta} = \frac{1+\cos{4\theta}}{2}
sin4θ=14(12cos2θ+1+cos4θ2)=18(24cos2θ+1+cos4θ)=18(34cos2θ+cos4θ)\sin^4{\theta} = \frac{1}{4}(1-2\cos{2\theta} + \frac{1+\cos{4\theta}}{2}) = \frac{1}{8}(2-4\cos{2\theta}+1+\cos{4\theta}) = \frac{1}{8}(3-4\cos{2\theta}+\cos{4\theta})
sin4θcos2θ=18(34cos2θ+cos4θ)1+cos2θ2=116(34cos2θ+cos4θ)(1+cos2θ)\sin^4{\theta} \cos^2{\theta} = \frac{1}{8}(3-4\cos{2\theta}+\cos{4\theta})\frac{1+\cos{2\theta}}{2} = \frac{1}{16}(3-4\cos{2\theta}+\cos{4\theta})(1+\cos{2\theta})
=116(3+3cos2θ4cos2θ4cos22θ+cos4θ+cos4θcos2θ)= \frac{1}{16}(3+3\cos{2\theta}-4\cos{2\theta}-4\cos^2{2\theta}+\cos{4\theta}+\cos{4\theta}\cos{2\theta})
=116(3cos2θ4cos22θ+cos4θ+cos4θcos2θ)= \frac{1}{16}(3-\cos{2\theta}-4\cos^2{2\theta}+\cos{4\theta}+\cos{4\theta}\cos{2\theta})
cos22θ=1+cos4θ2\cos^2{2\theta} = \frac{1+\cos{4\theta}}{2}
cos4θcos2θ=12(cos(4θ+2θ)+cos(4θ2θ))=12(cos6θ+cos2θ)\cos{4\theta}\cos{2\theta} = \frac{1}{2}(\cos(4\theta+2\theta) + \cos(4\theta-2\theta)) = \frac{1}{2}(\cos{6\theta}+\cos{2\theta})
sin4θcos2θ=116(3cos2θ41+cos4θ2+cos4θ+12(cos6θ+cos2θ))\sin^4{\theta}\cos^2{\theta} = \frac{1}{16}(3-\cos{2\theta}-4\frac{1+\cos{4\theta}}{2}+\cos{4\theta}+\frac{1}{2}(\cos{6\theta}+\cos{2\theta}))
=116(3cos2θ22cos4θ+cos4θ+12cos6θ+12cos2θ)= \frac{1}{16}(3-\cos{2\theta}-2-2\cos{4\theta}+\cos{4\theta}+\frac{1}{2}\cos{6\theta}+\frac{1}{2}\cos{2\theta})
=116(112cos2θcos4θ+12cos6θ)= \frac{1}{16}(1-\frac{1}{2}\cos{2\theta}-\cos{4\theta}+\frac{1}{2}\cos{6\theta})
640π2sin4θcos2θdθ=640π2116(112cos2θcos4θ+12cos6θ)dθ64\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^4{\theta} \cos^2{\theta} d\theta = 64\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{16}(1-\frac{1}{2}\cos{2\theta}-\cos{4\theta}+\frac{1}{2}\cos{6\theta})d\theta
=40π2(112cos2θcos4θ+12cos6θ)dθ=4[θ14sin2θ14sin4θ+112sin6θ]0π2= 4\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}(1-\frac{1}{2}\cos{2\theta}-\cos{4\theta}+\frac{1}{2}\cos{6\theta})d\theta = 4[\theta - \frac{1}{4}\sin{2\theta} - \frac{1}{4}\sin{4\theta} + \frac{1}{12}\sin{6\theta}]_{0}^{\frac{\pi}{2}}
=4(π200+0(000+0))=2π= 4(\frac{\pi}{2} - 0 - 0 + 0 - (0 - 0 - 0 + 0)) = 2\pi
(2) 02x22xx2dx\int_{0}^{2} x^2 \sqrt{2x-x^2} dx
2xx2=(x22x)=(x22x+11)=1(x1)22x - x^2 = -(x^2 - 2x) = -(x^2 - 2x + 1 - 1) = 1 - (x-1)^2
x1=sinθx-1 = \sin{\theta} と置換すると、dx=cosθdθdx = \cos{\theta} d\theta となります。
x=sinθ+1x = \sin{\theta} + 1
x=0x=0 のとき、sinθ=1\sin{\theta} = -1 なので θ=π2\theta = -\frac{\pi}{2} であり、x=2x=2 のとき、sinθ=1\sin{\theta} = 1 なので θ=π2\theta = \frac{\pi}{2} となります。
2xx2=1(x1)2=1sin2θ=cosθ\sqrt{2x-x^2} = \sqrt{1-(x-1)^2} = \sqrt{1-\sin^2{\theta}} = \cos{\theta}
x2=(sinθ+1)2=sin2θ+2sinθ+1x^2 = (\sin{\theta} + 1)^2 = \sin^2{\theta} + 2\sin{\theta} + 1
02x22xx2dx=π2π2(sin2θ+2sinθ+1)cosθcosθdθ=π2π2(sin2θ+2sinθ+1)cos2θdθ\int_{0}^{2} x^2 \sqrt{2x-x^2} dx = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} (\sin^2{\theta} + 2\sin{\theta} + 1)\cos{\theta} \cdot \cos{\theta} d\theta = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} (\sin^2{\theta} + 2\sin{\theta} + 1)\cos^2{\theta} d\theta
=π2π2(sin2θcos2θ+2sinθcos2θ+cos2θ)dθ=π2π2(sin2θcos2θ+cos2θ)dθ+2π2π2sinθcos2θdθ= \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} (\sin^2{\theta}\cos^2{\theta} + 2\sin{\theta}\cos^2{\theta} + \cos^2{\theta}) d\theta = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} (\sin^2{\theta}\cos^2{\theta} + \cos^2{\theta}) d\theta + 2\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \sin{\theta}\cos^2{\theta} d\theta
sinθcos2θ\sin{\theta}\cos^2{\theta} は奇関数なので、π2π2sinθcos2θdθ=0\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \sin{\theta}\cos^2{\theta} d\theta = 0
π2π2sin2θcos2θdθ=π2π214sin22θdθ=14π2π21cos4θ2dθ=18[θ14sin4θ]π2π2=18(π20(π20))=18π\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2{\theta}\cos^2{\theta} d\theta = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{4}\sin^2{2\theta} d\theta = \frac{1}{4}\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1-\cos{4\theta}}{2} d\theta = \frac{1}{8}[\theta - \frac{1}{4}\sin{4\theta}]_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{8}(\frac{\pi}{2} - 0 - (-\frac{\pi}{2} - 0)) = \frac{1}{8}\pi
π2π2cos2θdθ=π2π21+cos2θ2dθ=12[θ+12sin2θ]π2π2=12(π2+0(π2+0))=12π\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2{\theta} d\theta = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1+\cos{2\theta}}{2} d\theta = \frac{1}{2}[\theta + \frac{1}{2}\sin{2\theta}]_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{2}(\frac{\pi}{2} + 0 - (-\frac{\pi}{2} + 0)) = \frac{1}{2}\pi
02x22xx2dx=18π+12π=58π\int_{0}^{2} x^2 \sqrt{2x-x^2} dx = \frac{1}{8}\pi + \frac{1}{2}\pi = \frac{5}{8}\pi

3. 最終的な答え

(1) 2π2\pi
(2) 58π\frac{5}{8}\pi

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