与えられた5つの定積分の問題を解きます。 [1] $\int_{0}^{1} \frac{e^x}{e^x + 1} dx$ [2] $\int_{0}^{1} |(x-4)(x-1)^3| dx$ [3] $\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{t^2}{(1+t^2)^2} dt$ [4] $\int_{1}^{e} x^2 \log x dx$ [5] $\int_{\frac{1}{\sqrt{2}}}^{\frac{\sqrt{3}}{2}} \frac{x^2}{\sqrt{1-x^2}} dx$

解析学定積分置換積分部分積分三角関数
2025/7/9

1. 問題の内容

与えられた5つの定積分の問題を解きます。
[1] 01exex+1dx\int_{0}^{1} \frac{e^x}{e^x + 1} dx
[2] 01(x4)(x1)3dx\int_{0}^{1} |(x-4)(x-1)^3| dx
[3] 03t2(1+t2)2dt\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{t^2}{(1+t^2)^2} dt
[4] 1ex2logxdx\int_{1}^{e} x^2 \log x dx
[5] 1232x21x2dx\int_{\frac{1}{\sqrt{2}}}^{\frac{\sqrt{3}}{2}} \frac{x^2}{\sqrt{1-x^2}} dx

2. 解き方の手順

[1]
u=ex+1u = e^x + 1 と置換すると、du=exdxdu = e^x dx となります。
x=0x = 0 のとき、u=e0+1=1+1=2u = e^0 + 1 = 1 + 1 = 2
x=1x = 1 のとき、u=e1+1=e+1u = e^1 + 1 = e + 1
したがって、
01exex+1dx=2e+11udu=[logu]2e+1=log(e+1)log2=log(e+12)\int_{0}^{1} \frac{e^x}{e^x + 1} dx = \int_{2}^{e+1} \frac{1}{u} du = [\log u]_{2}^{e+1} = \log(e+1) - \log 2 = \log(\frac{e+1}{2})
[2]
f(x)=(x4)(x1)3f(x) = (x-4)(x-1)^3 を考えます。0x10 \le x \le 1 の範囲では、x4<0x-4 < 0 であり、(x1)30(x-1)^3 \le 0 であるため、(x4)(x1)30(x-4)(x-1)^3 \ge 0 となります。したがって、絶対値を外すことができます。
01(x4)(x1)3dx=01(x4)(x1)3dx=01(x4)(x33x2+3x1)dx\int_{0}^{1} |(x-4)(x-1)^3| dx = \int_{0}^{1} (x-4)(x-1)^3 dx = \int_{0}^{1} (x-4)(x^3 - 3x^2 + 3x - 1) dx
=01(x43x3+3x2x4x3+12x212x+4)dx=01(x47x3+15x213x+4)dx= \int_{0}^{1} (x^4 - 3x^3 + 3x^2 - x - 4x^3 + 12x^2 - 12x + 4) dx = \int_{0}^{1} (x^4 - 7x^3 + 15x^2 - 13x + 4) dx
=[15x574x4+5x3132x2+4x]01=1574+5132+4=435+100130+8020=1920= [\frac{1}{5}x^5 - \frac{7}{4}x^4 + 5x^3 - \frac{13}{2}x^2 + 4x]_{0}^{1} = \frac{1}{5} - \frac{7}{4} + 5 - \frac{13}{2} + 4 = \frac{4 - 35 + 100 - 130 + 80}{20} = \frac{19}{20}
[3]
t=tanθt = \tan \theta と置換すると、dt=sec2θdθdt = \sec^2 \theta d\theta となります。
t=0t = 0 のとき、θ=0\theta = 0
t=3t = \sqrt{3} のとき、θ=π3\theta = \frac{\pi}{3}
03t2(1+t2)2dt=0π3tan2θ(1+tan2θ)2sec2θdθ=0π3tan2θ(sec2θ)2sec2θdθ=0π3tan2θsec2θdθ\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{t^2}{(1+t^2)^2} dt = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \frac{\tan^2 \theta}{(1+\tan^2 \theta)^2} \sec^2 \theta d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \frac{\tan^2 \theta}{(\sec^2 \theta)^2} \sec^2 \theta d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \frac{\tan^2 \theta}{\sec^2 \theta} d\theta
=0π3sin2θdθ=0π31cos2θ2dθ=[12θ14sin2θ]0π3=12π314sin2π3=π61432=π638= \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \sin^2 \theta d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1 - \cos 2\theta}{2} d\theta = [\frac{1}{2}\theta - \frac{1}{4}\sin 2\theta]_{0}^{\frac{\pi}{3}} = \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{3} - \frac{1}{4}\sin \frac{2\pi}{3} = \frac{\pi}{6} - \frac{1}{4} \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{\pi}{6} - \frac{\sqrt{3}}{8}
[4]
部分積分を行います。x2logxdx\int x^2 \log x dx
u=logxu = \log x, dv=x2dxdv = x^2 dx とすると、du=1xdxdu = \frac{1}{x} dx, v=13x3v = \frac{1}{3}x^3
x2logxdx=13x3logx13x31xdx=13x3logx13x2dx=13x3logx19x3+C\int x^2 \log x dx = \frac{1}{3}x^3 \log x - \int \frac{1}{3}x^3 \cdot \frac{1}{x} dx = \frac{1}{3}x^3 \log x - \frac{1}{3} \int x^2 dx = \frac{1}{3}x^3 \log x - \frac{1}{9}x^3 + C
1ex2logxdx=[13x3logx19x3]1e=(13e3loge19e3)(1313log11913)=13e319e30+19=29e3+19\int_{1}^{e} x^2 \log x dx = [\frac{1}{3}x^3 \log x - \frac{1}{9}x^3]_{1}^{e} = (\frac{1}{3}e^3 \log e - \frac{1}{9}e^3) - (\frac{1}{3} \cdot 1^3 \log 1 - \frac{1}{9} \cdot 1^3) = \frac{1}{3}e^3 - \frac{1}{9}e^3 - 0 + \frac{1}{9} = \frac{2}{9}e^3 + \frac{1}{9}
[5]
x=sinθx = \sin \theta と置換すると、dx=cosθdθdx = \cos \theta d\theta となります。
x=12x = \frac{1}{\sqrt{2}} のとき、θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}
x=32x = \frac{\sqrt{3}}{2} のとき、θ=π3\theta = \frac{\pi}{3}
1232x21x2dx=π4π3sin2θ1sin2θcosθdθ=π4π3sin2θcosθcosθdθ=π4π3sin2θdθ\int_{\frac{1}{\sqrt{2}}}^{\frac{\sqrt{3}}{2}} \frac{x^2}{\sqrt{1-x^2}} dx = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{\sin^2 \theta}{\sqrt{1-\sin^2 \theta}} \cos \theta d\theta = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{\sin^2 \theta}{\cos \theta} \cos \theta d\theta = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \sin^2 \theta d\theta
=π4π31cos2θ2dθ=[12θ14sin2θ]π4π3=(12π314sin2π3)(12π414sinπ2)= \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1 - \cos 2\theta}{2} d\theta = [\frac{1}{2}\theta - \frac{1}{4}\sin 2\theta]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} = (\frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{3} - \frac{1}{4}\sin \frac{2\pi}{3}) - (\frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{4} - \frac{1}{4}\sin \frac{\pi}{2})
=π61432π8+141=π2438+14= \frac{\pi}{6} - \frac{1}{4} \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{\pi}{8} + \frac{1}{4} \cdot 1 = \frac{\pi}{24} - \frac{\sqrt{3}}{8} + \frac{1}{4}

3. 最終的な答え

[1] log(e+12)\log(\frac{e+1}{2})
[2] 1920\frac{19}{20}
[3] π638\frac{\pi}{6} - \frac{\sqrt{3}}{8}
[4] 2e3+19\frac{2e^3+1}{9}
[5] π2438+14\frac{\pi}{24} - \frac{\sqrt{3}}{8} + \frac{1}{4}

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