以下の4つの定積分を計算する問題です。 (1) $\int_1^2 (6x^5 + 5x^4 - \frac{1}{x^2}) dx$ (2) $\int_1^4 (\sqrt{\frac{4}{x^3}} + \frac{1}{\sqrt{2x}} + (3x)^2) dx$ (3) $\int_{-2}^{-1} (x-1)(\frac{1}{x^3} + 1) dx$ (4) $\int_2^3 \frac{x^2 + \sqrt{x^3} - \sqrt{x}}{x} dx$

解析学定積分積分不定積分計算
2025/7/7

1. 問題の内容

以下の4つの定積分を計算する問題です。
(1) 12(6x5+5x41x2)dx\int_1^2 (6x^5 + 5x^4 - \frac{1}{x^2}) dx
(2) 14(4x3+12x+(3x)2)dx\int_1^4 (\sqrt{\frac{4}{x^3}} + \frac{1}{\sqrt{2x}} + (3x)^2) dx
(3) 21(x1)(1x3+1)dx\int_{-2}^{-1} (x-1)(\frac{1}{x^3} + 1) dx
(4) 23x2+x3xxdx\int_2^3 \frac{x^2 + \sqrt{x^3} - \sqrt{x}}{x} dx

2. 解き方の手順

(1)
まず、6x5+5x41x2=6x5+5x4x26x^5 + 5x^4 - \frac{1}{x^2} = 6x^5 + 5x^4 - x^{-2} の不定積分を計算します。
(6x5+5x4x2)dx=x6+x5+x1+C=x6+x5+1x+C\int (6x^5 + 5x^4 - x^{-2}) dx = x^6 + x^5 + x^{-1} + C = x^6 + x^5 + \frac{1}{x} + C
したがって、定積分は
12(6x5+5x41x2)dx=[x6+x5+1x]12=(26+25+12)(16+15+11)=(64+32+12)(1+1+1)=96+123=93+12=1872\int_1^2 (6x^5 + 5x^4 - \frac{1}{x^2}) dx = [x^6 + x^5 + \frac{1}{x}]_1^2 = (2^6 + 2^5 + \frac{1}{2}) - (1^6 + 1^5 + \frac{1}{1}) = (64 + 32 + \frac{1}{2}) - (1 + 1 + 1) = 96 + \frac{1}{2} - 3 = 93 + \frac{1}{2} = \frac{187}{2}
(2)
まず、4x3+12x+(3x)2=2x3/2+12x1/2+9x2 \sqrt{\frac{4}{x^3}} + \frac{1}{\sqrt{2x}} + (3x)^2 = 2x^{-3/2} + \frac{1}{\sqrt{2}}x^{-1/2} + 9x^2 の不定積分を計算します。
(2x3/2+12x1/2+9x2)dx=2x1/21/2+12x1/21/2+9x33+C=4x1/2+22x1/2+3x3+C=4x+2x+3x3+C\int (2x^{-3/2} + \frac{1}{\sqrt{2}}x^{-1/2} + 9x^2) dx = 2 \cdot \frac{x^{-1/2}}{-1/2} + \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \frac{x^{1/2}}{1/2} + 9 \cdot \frac{x^3}{3} + C = -4x^{-1/2} + \frac{2}{\sqrt{2}}x^{1/2} + 3x^3 + C = -\frac{4}{\sqrt{x}} + \sqrt{2x} + 3x^3 + C
したがって、定積分は
14(4x3+12x+(3x)2)dx=[4x+2x+3x3]14=(44+24+343)(41+21+313)=(2+8+364)(4+2+3)=(2+22+192)(1+2)=190+22+12=191+2\int_1^4 (\sqrt{\frac{4}{x^3}} + \frac{1}{\sqrt{2x}} + (3x)^2) dx = [-\frac{4}{\sqrt{x}} + \sqrt{2x} + 3x^3]_1^4 = (-\frac{4}{\sqrt{4}} + \sqrt{2 \cdot 4} + 3 \cdot 4^3) - (-\frac{4}{\sqrt{1}} + \sqrt{2 \cdot 1} + 3 \cdot 1^3) = (-2 + \sqrt{8} + 3 \cdot 64) - (-4 + \sqrt{2} + 3) = (-2 + 2\sqrt{2} + 192) - (-1 + \sqrt{2}) = 190 + 2\sqrt{2} + 1 - \sqrt{2} = 191 + \sqrt{2}
(3)
まず、(x1)(1x3+1)=xx3+x1x31=x2+xx31(x-1)(\frac{1}{x^3} + 1) = \frac{x}{x^3} + x - \frac{1}{x^3} - 1 = x^{-2} + x - x^{-3} - 1 の不定積分を計算します。
(x2+xx31)dx=x11+x22x22x+C=1x+x22+12x2x+C\int (x^{-2} + x - x^{-3} - 1) dx = \frac{x^{-1}}{-1} + \frac{x^2}{2} - \frac{x^{-2}}{-2} - x + C = -\frac{1}{x} + \frac{x^2}{2} + \frac{1}{2x^2} - x + C
したがって、定積分は
21(x1)(1x3+1)dx=[1x+x22+12x2x]21=(11+(1)22+12(1)2(1))(12+(2)22+12(2)2(2))=(1+12+12+1)(12+2+18+2)=3(4.625+0.5)=3(12+2+18+2)=3(48+168+18+168)=3378=24378=138\int_{-2}^{-1} (x-1)(\frac{1}{x^3} + 1) dx = [-\frac{1}{x} + \frac{x^2}{2} + \frac{1}{2x^2} - x]_{-2}^{-1} = (-\frac{1}{-1} + \frac{(-1)^2}{2} + \frac{1}{2(-1)^2} - (-1)) - (-\frac{1}{-2} + \frac{(-2)^2}{2} + \frac{1}{2(-2)^2} - (-2)) = (1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{2} + 1) - (\frac{1}{2} + 2 + \frac{1}{8} + 2) = 3 - (4.625 + 0.5) = 3 - (\frac{1}{2} + 2 + \frac{1}{8} + 2) = 3 - (\frac{4}{8} + \frac{16}{8} + \frac{1}{8} + \frac{16}{8}) = 3 - \frac{37}{8} = \frac{24 - 37}{8} = -\frac{13}{8}
(4)
まず、x2+x3xx=x2x+x3/2xx1/2x=x+x1/2x1/2\frac{x^2 + \sqrt{x^3} - \sqrt{x}}{x} = \frac{x^2}{x} + \frac{x^{3/2}}{x} - \frac{x^{1/2}}{x} = x + x^{1/2} - x^{-1/2} の不定積分を計算します。
(x+x1/2x1/2)dx=x22+x3/23/2x1/21/2+C=x22+23x3/22x1/2+C=x22+23x32x+C\int (x + x^{1/2} - x^{-1/2}) dx = \frac{x^2}{2} + \frac{x^{3/2}}{3/2} - \frac{x^{1/2}}{1/2} + C = \frac{x^2}{2} + \frac{2}{3}x^{3/2} - 2x^{1/2} + C = \frac{x^2}{2} + \frac{2}{3}\sqrt{x^3} - 2\sqrt{x} + C
したがって、定積分は
23x2+x3xxdx=[x22+23x32x]23=(322+233323)(222+232322)=(92+233323)(2+232222)=(92+2323)(2+432632)=92(2232)=922+232=52+232\int_2^3 \frac{x^2 + \sqrt{x^3} - \sqrt{x}}{x} dx = [\frac{x^2}{2} + \frac{2}{3}\sqrt{x^3} - 2\sqrt{x}]_2^3 = (\frac{3^2}{2} + \frac{2}{3}\sqrt{3^3} - 2\sqrt{3}) - (\frac{2^2}{2} + \frac{2}{3}\sqrt{2^3} - 2\sqrt{2}) = (\frac{9}{2} + \frac{2}{3} \cdot 3\sqrt{3} - 2\sqrt{3}) - (2 + \frac{2}{3} \cdot 2\sqrt{2} - 2\sqrt{2}) = (\frac{9}{2} + 2\sqrt{3} - 2\sqrt{3}) - (2 + \frac{4}{3}\sqrt{2} - \frac{6}{3}\sqrt{2}) = \frac{9}{2} - (2 - \frac{2}{3}\sqrt{2}) = \frac{9}{2} - 2 + \frac{2}{3}\sqrt{2} = \frac{5}{2} + \frac{2}{3}\sqrt{2}

3. 最終的な答え

(1) 1872\frac{187}{2}
(2) 191+2191 + \sqrt{2}
(3) 138-\frac{13}{8}
(4) 52+223\frac{5}{2} + \frac{2\sqrt{2}}{3}

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