与えられた6つの定積分の値を求める問題です。 (1) $\int_{0}^{\frac{1}{2}} e^{1-4x} dx$ (2) $\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos(x-\frac{\pi}{4}) dx$ (3) $\int_{1}^{3} \frac{x+2}{(4-x)^3} dx$ (4) $\int_{-2}^{0} (x-1)\sqrt{x+2} dx$ (5) $\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} dx$ (6) $\int_{0}^{\sqrt[3]{\pi}} x^2 \sin(x^3+\pi) dx$

解析学定積分置換積分積分
2025/7/10

1. 問題の内容

与えられた6つの定積分の値を求める問題です。
(1) 012e14xdx\int_{0}^{\frac{1}{2}} e^{1-4x} dx
(2) 0π2cos(xπ4)dx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos(x-\frac{\pi}{4}) dx
(3) 13x+2(4x)3dx\int_{1}^{3} \frac{x+2}{(4-x)^3} dx
(4) 20(x1)x+2dx\int_{-2}^{0} (x-1)\sqrt{x+2} dx
(5) 03xx2+1dx\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} dx
(6) 0π3x2sin(x3+π)dx\int_{0}^{\sqrt[3]{\pi}} x^2 \sin(x^3+\pi) dx

2. 解き方の手順

(1) 012e14xdx\int_{0}^{\frac{1}{2}} e^{1-4x} dx
u=14xu = 1-4x と置換すると、du=4dxdu = -4dx より dx=14dudx = -\frac{1}{4}du
x=0x=0 のとき u=1u = 1x=12x=\frac{1}{2} のとき u=14(12)=1u = 1-4(\frac{1}{2}) = -1
よって、
012e14xdx=11eu(14)du=14[eu]11=14(e1e1)=14(e1e)\int_{0}^{\frac{1}{2}} e^{1-4x} dx = \int_{1}^{-1} e^{u} (-\frac{1}{4}) du = -\frac{1}{4} [e^u]_{1}^{-1} = -\frac{1}{4}(e^{-1} - e^1) = \frac{1}{4}(e - \frac{1}{e})
(2) 0π2cos(xπ4)dx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos(x-\frac{\pi}{4}) dx
0π2cos(xπ4)dx=[sin(xπ4)]0π2=sin(π2π4)sin(0π4)=sin(π4)sin(π4)=22(22)=2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos(x-\frac{\pi}{4}) dx = [\sin(x-\frac{\pi}{4})]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = \sin(\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{4}) - \sin(0-\frac{\pi}{4}) = \sin(\frac{\pi}{4}) - \sin(-\frac{\pi}{4}) = \frac{\sqrt{2}}{2} - (-\frac{\sqrt{2}}{2}) = \sqrt{2}
(3) 13x+2(4x)3dx\int_{1}^{3} \frac{x+2}{(4-x)^3} dx
u=4xu = 4-x と置換すると、x=4ux = 4-u, dx=dudx = -du
x=1x=1 のとき u=3u=3, x=3x=3 のとき u=1u=1
13x+2(4x)3dx=31(4u)+2u3(du)=136uu3du=13(6u3u2)du=[6u22u11]13=[3u2+u1]13=(39+13)(3+1)=(13+13)(2)=2\int_{1}^{3} \frac{x+2}{(4-x)^3} dx = \int_{3}^{1} \frac{(4-u)+2}{u^3} (-du) = \int_{1}^{3} \frac{6-u}{u^3} du = \int_{1}^{3} (6u^{-3} - u^{-2}) du = [6 \cdot \frac{u^{-2}}{-2} - \frac{u^{-1}}{-1}]_{1}^{3} = [-3u^{-2} + u^{-1}]_{1}^{3} = (-\frac{3}{9} + \frac{1}{3}) - (-3 + 1) = (-\frac{1}{3} + \frac{1}{3}) - (-2) = 2
(4) 20(x1)x+2dx\int_{-2}^{0} (x-1)\sqrt{x+2} dx
u=x+2u = x+2 と置換すると、x=u2x = u-2, dx=dudx = du
x=2x=-2 のとき u=0u=0, x=0x=0 のとき u=2u=2
20(x1)x+2dx=02(u21)udu=02(u3)u12du=02(u323u12)du=[u52523u3232]02=[25u522u32]02=(25(252)2(232))0=2542222=82542=822025=1225\int_{-2}^{0} (x-1)\sqrt{x+2} dx = \int_{0}^{2} (u-2-1)\sqrt{u} du = \int_{0}^{2} (u-3)u^{\frac{1}{2}} du = \int_{0}^{2} (u^{\frac{3}{2}} - 3u^{\frac{1}{2}}) du = [\frac{u^{\frac{5}{2}}}{\frac{5}{2}} - 3 \cdot \frac{u^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}}]_{0}^{2} = [\frac{2}{5} u^{\frac{5}{2}} - 2 u^{\frac{3}{2}}]_{0}^{2} = (\frac{2}{5} (2^{\frac{5}{2}}) - 2 (2^{\frac{3}{2}})) - 0 = \frac{2}{5} \cdot 4\sqrt{2} - 2 \cdot 2\sqrt{2} = \frac{8\sqrt{2}}{5} - 4\sqrt{2} = \frac{8\sqrt{2} - 20\sqrt{2}}{5} = -\frac{12\sqrt{2}}{5}
(5) 03xx2+1dx\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} dx
u=x2+1u = x^2+1 と置換すると、du=2xdxdu = 2xdx より xdx=12duxdx = \frac{1}{2}du
x=0x=0 のとき u=1u=1, x=3x=\sqrt{3} のとき u=(3)2+1=4u = (\sqrt{3})^2+1 = 4
03xx2+1dx=141u12du=1214u12du=12[u1212]14=12[2u]14=[u]14=41=21=1\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} dx = \int_{1}^{4} \frac{1}{\sqrt{u}} \frac{1}{2} du = \frac{1}{2} \int_{1}^{4} u^{-\frac{1}{2}} du = \frac{1}{2} [\frac{u^{\frac{1}{2}}}{\frac{1}{2}}]_{1}^{4} = \frac{1}{2} [2\sqrt{u}]_{1}^{4} = [\sqrt{u}]_{1}^{4} = \sqrt{4} - \sqrt{1} = 2 - 1 = 1
(6) 0π3x2sin(x3+π)dx\int_{0}^{\sqrt[3]{\pi}} x^2 \sin(x^3+\pi) dx
u=x3+πu = x^3 + \pi と置換すると、du=3x2dxdu = 3x^2 dx より x2dx=13dux^2 dx = \frac{1}{3} du
x=0x=0 のとき u=πu = \pi, x=π3x = \sqrt[3]{\pi} のとき u=(π3)3+π=π+π=2πu = (\sqrt[3]{\pi})^3 + \pi = \pi + \pi = 2\pi
0π3x2sin(x3+π)dx=π2πsin(u)13du=13π2πsin(u)du=13[cos(u)]π2π=13(cos(2π)(cos(π)))=13(1((1)))=13(11)=23\int_{0}^{\sqrt[3]{\pi}} x^2 \sin(x^3+\pi) dx = \int_{\pi}^{2\pi} \sin(u) \frac{1}{3} du = \frac{1}{3} \int_{\pi}^{2\pi} \sin(u) du = \frac{1}{3} [-\cos(u)]_{\pi}^{2\pi} = \frac{1}{3} (-\cos(2\pi) - (-\cos(\pi))) = \frac{1}{3} (-1 - (-(-1))) = \frac{1}{3}(-1-1) = -\frac{2}{3}

3. 最終的な答え

(1) 14(e1e)\frac{1}{4}(e - \frac{1}{e})
(2) 2\sqrt{2}
(3) 22
(4) 1225-\frac{12\sqrt{2}}{5}
(5) 11
(6) 23-\frac{2}{3}

「解析学」の関連問題

与えられた重積分 $I$ の値を計算します。 $I = \int_{0}^{2} \int_{\frac{1-\sqrt{1+4y}}{2}}^{\frac{1+\sqrt{1+4y}}{2}} (x...

重積分積分変数変換
2025/7/18

$\int \sin^{-1} x dx$ を計算してください。

積分逆三角関数部分積分置換積分
2025/7/18

(1) $z = xy$, $x = \sin^{-1}(uv)$, $y = \cos^{-1}(uv)$ のとき、$\frac{\partial z}{\partial u}$ と $\frac{...

偏微分合成関数の微分
2025/7/18

与えられた積分 $\int \sqrt{x^2 + a} dx$ を計算し、その結果が $\frac{1}{2}(x\sqrt{x^2 + a} + a \log |x + \sqrt{x^2 + a...

積分部分積分不定積分
2025/7/18

問題は、スカラー場 $f$ が与えられたときに、その勾配 $\text{grad} f$ を求める問題、及びベクトル $\mathbf{r} = (x, y, z)$ と $r = \sqrt{x^2...

勾配ベクトル解析偏微分スカラー場
2025/7/18

パラメータ $t$ で表された曲線 $r(t) = (a(t - \sin t), a(1 + \cos t))$ について、以下の問題を解く。 (1) 曲線を $r = (x(t), y(t))$ ...

曲線弧長接線ベクトル曲率曲率半径
2025/7/18

与えられた積分を計算し、その結果を示します。 積分は $\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a}}$ であり、$a \neq 0$です。

積分置換積分双曲線関数不定積分
2025/7/18

与えられた積分 $\int \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}}$ を計算し、その結果が $\sin^{-1} \frac{x}{|a|}$ であることを示す問題です。ただし、$a ...

積分置換積分三角関数逆三角関数
2025/7/18

(1) $\frac{cos\alpha}{1 - sin\alpha} - tan\alpha$ を簡単にせよ。 (2) $sin\theta + cos\theta = \sqrt{2}$ のとき...

三角関数三角関数の恒等式式の簡単化
2025/7/18

関数 $f(x, y) = 2x^2 + 3xy + y^2 + 2 = 0$ によって定まる陰関数の極値を求める。

陰関数極値微分二階微分
2025/7/18