以下の6つの定積分を計算します。 (1) $\int_{0}^{1/2} e^{1-4x} dx$ (2) $\int_{0}^{\pi/2} \cos(x - \frac{\pi}{4}) dx$ (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
2025/7/18
はい、承知いたしました。それでは、与えられた積分問題を解いていきます。

1. 問題の内容

以下の6つの定積分を計算します。
(1) 01/2e14xdx\int_{0}^{1/2} e^{1-4x} dx
(2) 0π/2cos(xπ4)dx\int_{0}^{\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

それぞれの積分について、以下の手順で計算します。
(1) 01/2e14xdx\int_{0}^{1/2} e^{1-4x} dx
u=14xu = 1-4x と置換すると、du=4dxdu = -4 dx より dx=14dudx = -\frac{1}{4} du
積分範囲は、x=0x=0 のとき u=1u=1, x=1/2x=1/2 のとき u=14(1/2)=1u = 1-4(1/2) = -1
01/2e14xdx=11eu(14)du=1411eudu=14[eu]11=14(e1e1)=14(e1e)\int_{0}^{1/2} e^{1-4x} dx = \int_{1}^{-1} e^u (-\frac{1}{4}) du = \frac{1}{4} \int_{-1}^{1} e^u du = \frac{1}{4} [e^u]_{-1}^{1} = \frac{1}{4}(e^1 - e^{-1}) = \frac{1}{4}(e - \frac{1}{e})
(2) 0π/2cos(xπ4)dx\int_{0}^{\pi/2} \cos(x - \frac{\pi}{4}) dx
0π/2cos(xπ4)dx=[sin(xπ4)]0π/2=sin(π2π4)sin(0π4)=sin(π4)sin(π4)=22(22)=2\int_{0}^{\pi/2} \cos(x - \frac{\pi}{4}) dx = [\sin(x-\frac{\pi}{4})]_{0}^{\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-udx=dudx = -du
積分範囲は、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)=0+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 \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) = 0 + 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-2dx=dudx = du
積分範囲は、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)u1/2du=02(u3/23u1/2)du=[u5/25/23u3/23/2]02=[25u5/22u3/2]02=(2525/22(23/2))0=252222(22)=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^{1/2} du = \int_{0}^{2} (u^{3/2} - 3u^{1/2}) du = [\frac{u^{5/2}}{5/2} - 3\frac{u^{3/2}}{3/2}]_{0}^{2} = [\frac{2}{5}u^{5/2} - 2u^{3/2}]_{0}^{2} = (\frac{2}{5}2^{5/2} - 2(2^{3/2})) - 0 = \frac{2}{5} 2^2 \sqrt{2} - 2(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 = 2x dx より xdx=12dux dx = \frac{1}{2} du
積分範囲は、x=0x=0 のとき u=1u=1, x=3x=\sqrt{3} のとき u=(3)2+1=3+1=4u = (\sqrt{3})^2 + 1 = 3+1 = 4
03xx2+1dx=141u12du=1214u1/2du=12[u1/21/2]14=[u1/2]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^{-1/2} du = \frac{1}{2} [\frac{u^{1/2}}{1/2}]_{1}^{4} = [u^{1/2}]_{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
積分範囲は、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)=13(2)=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{1}{3}(-2) = -\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) 2
(4) 1225-\frac{12\sqrt{2}}{5}
(5) 1
(6) 23-\frac{2}{3}

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