次の定積分を計算する問題です。 (1) $\int_{1}^{3} \frac{(x^2-1)^2}{x^4} dx$ (2) $\int_{0}^{1} (x+1-\sqrt{x})^2 dx$ (3) $\int_{0}^{\pi} (2\sin x + \cos x)^2 dx$ (4) $\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} (3-4\sin^2 x) dx$ (5) $\int_{0}^{\log 7} \frac{e^x}{1+e^x} dx$

解析学定積分積分
2025/7/23

1. 問題の内容

次の定積分を計算する問題です。
(1) 13(x21)2x4dx\int_{1}^{3} \frac{(x^2-1)^2}{x^4} dx
(2) 01(x+1x)2dx\int_{0}^{1} (x+1-\sqrt{x})^2 dx
(3) 0π(2sinx+cosx)2dx\int_{0}^{\pi} (2\sin x + \cos x)^2 dx
(4) π4π2(34sin2x)dx\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} (3-4\sin^2 x) dx
(5) 0log7ex1+exdx\int_{0}^{\log 7} \frac{e^x}{1+e^x} dx

2. 解き方の手順

(1)
13(x21)2x4dx=13x42x2+1x4dx=13(12x2+1x4)dx\int_{1}^{3} \frac{(x^2-1)^2}{x^4} dx = \int_{1}^{3} \frac{x^4 - 2x^2 + 1}{x^4} dx = \int_{1}^{3} (1 - \frac{2}{x^2} + \frac{1}{x^4}) dx
=[x+2x13x3]13=(3+23181)(1+213)=3+231813+13=1181=8081= [x + \frac{2}{x} - \frac{1}{3x^3}]_{1}^{3} = (3 + \frac{2}{3} - \frac{1}{81}) - (1+2-\frac{1}{3}) = 3 + \frac{2}{3} - \frac{1}{81} - 3 + \frac{1}{3} = 1 - \frac{1}{81} = \frac{80}{81}
(2)
01(x+1x)2dx=01(x2+1+x+2x2xx2x)dx\int_{0}^{1} (x+1-\sqrt{x})^2 dx = \int_{0}^{1} (x^2 + 1 + x + 2x - 2x\sqrt{x} - 2\sqrt{x}) dx
=01(x2+3x+12x3/22x1/2)dx=[x33+3x22+x45x5/243x3/2]01= \int_{0}^{1} (x^2 + 3x + 1 - 2x^{3/2} - 2x^{1/2}) dx = [\frac{x^3}{3} + \frac{3x^2}{2} + x - \frac{4}{5}x^{5/2} - \frac{4}{3}x^{3/2}]_{0}^{1}
=13+32+14543=10+45+30244030=2130=710= \frac{1}{3} + \frac{3}{2} + 1 - \frac{4}{5} - \frac{4}{3} = \frac{10 + 45 + 30 - 24 - 40}{30} = \frac{21}{30} = \frac{7}{10}
(3)
0π(2sinx+cosx)2dx=0π(4sin2x+4sinxcosx+cos2x)dx=0π(3sin2x+sin2x+cos2x+4sinxcosx)dx\int_{0}^{\pi} (2\sin x + \cos x)^2 dx = \int_{0}^{\pi} (4\sin^2 x + 4\sin x \cos x + \cos^2 x) dx = \int_{0}^{\pi} (3\sin^2 x + \sin^2 x + \cos^2 x + 4\sin x \cos x) dx
=0π(3sin2x+1+2sin2x)dx=0π(31cos2x2+1+2sin2x)dx= \int_{0}^{\pi} (3\sin^2 x + 1 + 2\sin 2x) dx = \int_{0}^{\pi} (3 \cdot \frac{1-\cos 2x}{2} + 1 + 2\sin 2x) dx
=0π(3232cos2x+1+2sin2x)dx=[52x34sin2xcos2x]0π=52π34sin2πcos2π(034sin0cos0)=52π01+1=52π= \int_{0}^{\pi} (\frac{3}{2} - \frac{3}{2}\cos 2x + 1 + 2\sin 2x) dx = [\frac{5}{2}x - \frac{3}{4}\sin 2x - \cos 2x]_{0}^{\pi} = \frac{5}{2}\pi - \frac{3}{4}\sin 2\pi - \cos 2\pi - (0 - \frac{3}{4}\sin 0 - \cos 0) = \frac{5}{2}\pi - 0 - 1 + 1 = \frac{5}{2}\pi
(4)
π4π2(34sin2x)dx=π4π2(341cos2x2)dx=π4π2(32+2cos2x)dx=π4π2(1+2cos2x)dx\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} (3-4\sin^2 x) dx = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} (3-4\cdot \frac{1-\cos 2x}{2}) dx = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} (3-2+2\cos 2x) dx = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} (1+2\cos 2x) dx
=[x+sin2x]π4π2=(π2+sinπ)(π4+sinπ2)=π2+0π41=π41= [x + \sin 2x]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} = (\frac{\pi}{2} + \sin \pi) - (\frac{\pi}{4} + \sin \frac{\pi}{2}) = \frac{\pi}{2} + 0 - \frac{\pi}{4} - 1 = \frac{\pi}{4} - 1
(5)
0log7ex1+exdx=[log(1+ex)]0log7=log(1+elog7)log(1+e0)=log(1+7)log(1+1)=log8log2=log82=log4\int_{0}^{\log 7} \frac{e^x}{1+e^x} dx = [\log(1+e^x)]_{0}^{\log 7} = \log(1+e^{\log 7}) - \log(1+e^0) = \log(1+7) - \log(1+1) = \log 8 - \log 2 = \log \frac{8}{2} = \log 4

3. 最終的な答え

(1) 8081\frac{80}{81}
(2) 710\frac{7}{10}
(3) 52π\frac{5}{2}\pi
(4) π41\frac{\pi}{4} - 1
(5) log4\log 4

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