$\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x \sin(x - \frac{\pi}{3}) dx$ を計算します。

解析学積分三角関数部分積分
2025/7/11

1. 問題の内容

0π3xsin(xπ3)dx\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x \sin(x - \frac{\pi}{3}) dx を計算します。

2. 解き方の手順

まず、三角関数の加法定理を用いて sin(xπ3)\sin(x - \frac{\pi}{3}) を展開します。
sin(xπ3)=sin(x)cos(π3)cos(x)sin(π3)=12sin(x)32cos(x)\sin(x - \frac{\pi}{3}) = \sin(x) \cos(\frac{\pi}{3}) - \cos(x) \sin(\frac{\pi}{3}) = \frac{1}{2} \sin(x) - \frac{\sqrt{3}}{2} \cos(x)
したがって、積分は次のようになります。
0π3xsin(xπ3)dx=0π3x(12sin(x)32cos(x))dx=120π3xsin(x)dx320π3xcos(x)dx\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x \sin(x - \frac{\pi}{3}) dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x (\frac{1}{2} \sin(x) - \frac{\sqrt{3}}{2} \cos(x)) dx = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x \sin(x) dx - \frac{\sqrt{3}}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x \cos(x) dx
部分積分を用いてそれぞれの積分を計算します。
xsin(x)dx\int x \sin(x) dx:
u=xu = x, dv=sin(x)dxdv = \sin(x) dx
du=dxdu = dx, v=cos(x)v = -\cos(x)
xsin(x)dx=xcos(x)cos(x)dx=xcos(x)+sin(x)+C\int x \sin(x) dx = -x \cos(x) - \int -\cos(x) dx = -x \cos(x) + \sin(x) + C
xcos(x)dx\int x \cos(x) dx:
u=xu = x, dv=cos(x)dxdv = \cos(x) dx
du=dxdu = dx, v=sin(x)v = \sin(x)
xcos(x)dx=xsin(x)sin(x)dx=xsin(x)+cos(x)+C\int x \cos(x) dx = x \sin(x) - \int \sin(x) dx = x \sin(x) + \cos(x) + C
したがって、
120π3xsin(x)dx=12[xcos(x)+sin(x)]0π3=12[π3cos(π3)+sin(π3)(0)]=12[π3(12)+32]=π12+34\frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x \sin(x) dx = \frac{1}{2} [-x \cos(x) + \sin(x)]_{0}^{\frac{\pi}{3}} = \frac{1}{2} [-\frac{\pi}{3} \cos(\frac{\pi}{3}) + \sin(\frac{\pi}{3}) - (0)] = \frac{1}{2} [-\frac{\pi}{3} (\frac{1}{2}) + \frac{\sqrt{3}}{2}] = -\frac{\pi}{12} + \frac{\sqrt{3}}{4}
320π3xcos(x)dx=32[xsin(x)+cos(x)]0π3=32[π3sin(π3)+cos(π3)(0+1)]=32[π3(32)+121]=32[π3612]=π434\frac{\sqrt{3}}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x \cos(x) dx = \frac{\sqrt{3}}{2} [x \sin(x) + \cos(x)]_{0}^{\frac{\pi}{3}} = \frac{\sqrt{3}}{2} [\frac{\pi}{3} \sin(\frac{\pi}{3}) + \cos(\frac{\pi}{3}) - (0 + 1)] = \frac{\sqrt{3}}{2} [\frac{\pi}{3} (\frac{\sqrt{3}}{2}) + \frac{1}{2} - 1] = \frac{\sqrt{3}}{2} [\frac{\pi \sqrt{3}}{6} - \frac{1}{2}] = \frac{\pi}{4} - \frac{\sqrt{3}}{4}
0π3xsin(xπ3)dx=(π12+34)(π434)=π123π12+34+34=4π12+234=π3+32\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} x \sin(x - \frac{\pi}{3}) dx = (-\frac{\pi}{12} + \frac{\sqrt{3}}{4}) - (\frac{\pi}{4} - \frac{\sqrt{3}}{4}) = -\frac{\pi}{12} - \frac{3\pi}{12} + \frac{\sqrt{3}}{4} + \frac{\sqrt{3}}{4} = -\frac{4\pi}{12} + \frac{2\sqrt{3}}{4} = -\frac{\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{2}

3. 最終的な答え

π3+32-\frac{\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{2}

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