与えられた7つの定積分を計算する問題です。 (1) $\int_{0}^{1} x^2 e^x dx$ (2) $\int_{1}^{2} (x-1)^2 e^{2x} dx$ (3) $\int_{0}^{1} x(x-1)^4 dx$ (4) $\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^4 x dx$ (5) $\int_{1}^{2} (\log x)^3 dx$ (6) $\int_{1}^{2} \frac{\log x}{\sqrt{x}} dx$ (7) $\int_{0}^{1} x \arctan x dx$

解析学定積分部分積分積分
2025/7/19

1. 問題の内容

与えられた7つの定積分を計算する問題です。
(1) 01x2exdx\int_{0}^{1} x^2 e^x dx
(2) 12(x1)2e2xdx\int_{1}^{2} (x-1)^2 e^{2x} dx
(3) 01x(x1)4dx\int_{0}^{1} x(x-1)^4 dx
(4) 0π2sin4xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^4 x dx
(5) 12(logx)3dx\int_{1}^{2} (\log x)^3 dx
(6) 12logxxdx\int_{1}^{2} \frac{\log x}{\sqrt{x}} dx
(7) 01xarctanxdx\int_{0}^{1} x \arctan x dx

2. 解き方の手順

(1) 01x2exdx\int_{0}^{1} x^2 e^x dx
部分積分を2回行う。
u=x2u = x^2, dv=exdxdv = e^x dxとすると、du=2xdxdu = 2x dx, v=exv = e^x
x2exdx=x2ex2xexdx\int x^2 e^x dx = x^2 e^x - \int 2x e^x dx
さらに、u=2xu = 2x, dv=exdxdv = e^x dxとすると、du=2dxdu = 2 dx, v=exv = e^x
2xexdx=2xex2exdx=2xex2ex\int 2x e^x dx = 2x e^x - \int 2 e^x dx = 2x e^x - 2 e^x
したがって、x2exdx=x2ex(2xex2ex)=x2ex2xex+2ex\int x^2 e^x dx = x^2 e^x - (2x e^x - 2 e^x) = x^2 e^x - 2x e^x + 2 e^x
01x2exdx=[x2ex2xex+2ex]01=(e2e+2e)(00+2)=e2\int_{0}^{1} x^2 e^x dx = [x^2 e^x - 2x e^x + 2 e^x]_{0}^{1} = (e - 2e + 2e) - (0 - 0 + 2) = e - 2
(2) 12(x1)2e2xdx\int_{1}^{2} (x-1)^2 e^{2x} dx
t=x1t=x-1とおくと,x=t+1x=t+1dx=dtdx=dt。積分範囲は00から11
01t2e2(t+1)dt=e201t2e2tdt\int_{0}^{1} t^2 e^{2(t+1)} dt = e^2 \int_{0}^{1} t^2 e^{2t} dt
u=t2u=t^2, dv=e2tdtdv=e^{2t} dtとすると、du=2tdtdu=2t dt, v=12e2tv=\frac{1}{2}e^{2t}
t2e2tdt=12t2e2tte2tdt\int t^2 e^{2t} dt = \frac{1}{2}t^2 e^{2t} - \int t e^{2t} dt
u=tu=t, dv=e2tdtdv=e^{2t} dtとすると、du=dtdu=dt, v=12e2tv=\frac{1}{2}e^{2t}
te2tdt=12te2t12e2tdt=12te2t14e2t\int t e^{2t} dt = \frac{1}{2}t e^{2t} - \int \frac{1}{2}e^{2t} dt = \frac{1}{2}t e^{2t} - \frac{1}{4}e^{2t}
t2e2tdt=12t2e2t(12te2t14e2t)=12t2e2t12te2t+14e2t\int t^2 e^{2t} dt = \frac{1}{2}t^2 e^{2t} - (\frac{1}{2}t e^{2t} - \frac{1}{4}e^{2t}) = \frac{1}{2}t^2 e^{2t} - \frac{1}{2}t e^{2t} + \frac{1}{4}e^{2t}
e201t2e2tdt=e2[12t2e2t12te2t+14e2t]01=e2(12e212e2+14e214)=e4e24e^2 \int_{0}^{1} t^2 e^{2t} dt = e^2 [\frac{1}{2}t^2 e^{2t} - \frac{1}{2}t e^{2t} + \frac{1}{4}e^{2t}]_{0}^{1} = e^2 (\frac{1}{2}e^2 - \frac{1}{2}e^2 + \frac{1}{4}e^2 - \frac{1}{4}) = \frac{e^4 - e^2}{4}
(3) 01x(x1)4dx=01x(x44x3+6x24x+1)dx=01x54x4+6x34x2+xdx=[x664x55+6x444x33+x22]01=1645+3243+12=524+4540+1530=130(2440+45+20)=130\int_{0}^{1} x(x-1)^4 dx = \int_0^1 x(x^4 - 4x^3 + 6x^2 - 4x + 1) dx = \int_0^1 x^5 - 4x^4 + 6x^3 - 4x^2 + x dx = [\frac{x^6}{6} - \frac{4x^5}{5} + \frac{6x^4}{4} - \frac{4x^3}{3} + \frac{x^2}{2}]_0^1 = \frac{1}{6} - \frac{4}{5} + \frac{3}{2} - \frac{4}{3} + \frac{1}{2} = \frac{5 - 24 + 45 - 40 + 15}{30} = \frac{1}{30}(-24-40+45+20) = \frac{1}{30}
(4) 0π2sin4xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^4 x dx
sin2x=1cos2x2\sin^2 x = \frac{1 - \cos 2x}{2}より、sin4x=(1cos2x2)2=12cos2x+cos22x4=12cos2x+1+cos4x24=34cos2x+cos4x8\sin^4 x = (\frac{1 - \cos 2x}{2})^2 = \frac{1 - 2\cos 2x + \cos^2 2x}{4} = \frac{1 - 2\cos 2x + \frac{1 + \cos 4x}{2}}{4} = \frac{3 - 4\cos 2x + \cos 4x}{8}
0π2sin4xdx=0π234cos2x+cos4x8dx=18[3x2sin2x+14sin4x]0π2=18(3π2)=3π16\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^4 x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{3 - 4\cos 2x + \cos 4x}{8} dx = \frac{1}{8} [3x - 2\sin 2x + \frac{1}{4}\sin 4x]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{8}(\frac{3\pi}{2}) = \frac{3\pi}{16}
(5) 12(logx)3dx\int_{1}^{2} (\log x)^3 dx
u=(logx)3u = (\log x)^3, dv=dxdv = dx, du=3(logx)21xdxdu = 3 (\log x)^2 \frac{1}{x} dx, v=xv = x
(logx)3dx=x(logx)33(logx)2dx\int (\log x)^3 dx = x (\log x)^3 - \int 3 (\log x)^2 dx
u=3(logx)2u = 3(\log x)^2, dv=dxdv = dx, du=6logx1xdxdu = 6 \log x \frac{1}{x} dx, v=xv = x
3(logx)2dx=3x(logx)26logxdx\int 3(\log x)^2 dx = 3x (\log x)^2 - \int 6 \log x dx
u=6logxu = 6 \log x, dv=dxdv = dx, du=6xdxdu = \frac{6}{x} dx, v=xv = x
6logxdx=6xlogx6dx=6xlogx6x\int 6 \log x dx = 6x \log x - \int 6 dx = 6x \log x - 6x
(logx)3dx=x(logx)33x(logx)2+6xlogx6x\int (\log x)^3 dx = x (\log x)^3 - 3x (\log x)^2 + 6x \log x - 6x
12(logx)3dx=[x(logx)33x(logx)2+6xlogx6x]12=(2(log2)36(log2)2+12log212)(00+06)=2(log2)36(log2)2+12log26\int_{1}^{2} (\log x)^3 dx = [x (\log x)^3 - 3x (\log x)^2 + 6x \log x - 6x]_{1}^{2} = (2 (\log 2)^3 - 6 (\log 2)^2 + 12 \log 2 - 12) - (0 - 0 + 0 - 6) = 2 (\log 2)^3 - 6 (\log 2)^2 + 12 \log 2 - 6
(6) 12logxxdx\int_{1}^{2} \frac{\log x}{\sqrt{x}} dx
u=logxu = \log x, dv=1xdxdv = \frac{1}{\sqrt{x}} dx, du=1xdxdu = \frac{1}{x} dx, v=2xv = 2\sqrt{x}
logxxdx=2xlogx2xxdx=2xlogx2xdx=2xlogx4x\int \frac{\log x}{\sqrt{x}} dx = 2\sqrt{x} \log x - \int \frac{2\sqrt{x}}{x} dx = 2\sqrt{x} \log x - \int \frac{2}{\sqrt{x}} dx = 2\sqrt{x} \log x - 4\sqrt{x}
12logxxdx=[2xlogx4x]12=(22log242)(04)=22log242+4\int_{1}^{2} \frac{\log x}{\sqrt{x}} dx = [2\sqrt{x} \log x - 4\sqrt{x}]_{1}^{2} = (2\sqrt{2} \log 2 - 4\sqrt{2}) - (0 - 4) = 2\sqrt{2} \log 2 - 4\sqrt{2} + 4
(7) 01xarctanxdx\int_{0}^{1} x \arctan x dx
u=arctanxu = \arctan x, dv=xdxdv = x dx, du=11+x2dxdu = \frac{1}{1+x^2} dx, v=x22v = \frac{x^2}{2}
xarctanxdx=x22arctanxx22(1+x2)dx=x22arctanx12x21+x2dx\int x \arctan x dx = \frac{x^2}{2} \arctan x - \int \frac{x^2}{2(1+x^2)} dx = \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{1}{2} \int \frac{x^2}{1+x^2} dx
x21+x2dx=1+x211+x2dx=111+x2dx=xarctanx\int \frac{x^2}{1+x^2} dx = \int \frac{1+x^2 - 1}{1+x^2} dx = \int 1 - \frac{1}{1+x^2} dx = x - \arctan x
xarctanxdx=x22arctanx12(xarctanx)=x22arctanxx2+12arctanx\int x \arctan x dx = \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{1}{2} (x - \arctan x) = \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{x}{2} + \frac{1}{2} \arctan x
01xarctanxdx=[x22arctanxx2+12arctanx]01=(12arctan112+12arctan1)(00+0)=arctan112=π412\int_{0}^{1} x \arctan x dx = [\frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{x}{2} + \frac{1}{2} \arctan x]_{0}^{1} = (\frac{1}{2} \arctan 1 - \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \arctan 1) - (0 - 0 + 0) = \arctan 1 - \frac{1}{2} = \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}

3. 最終的な答え

(1) e2e-2
(2) e4e24\frac{e^4 - e^2}{4}
(3) 130\frac{1}{30}
(4) 3π16\frac{3\pi}{16}
(5) 2(log2)36(log2)2+12log262 (\log 2)^3 - 6 (\log 2)^2 + 12 \log 2 - 6
(6) 22log242+42\sqrt{2} \log 2 - 4\sqrt{2} + 4
(7) π412\frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}

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