以下の3つの定積分の値を求める問題です。 (1) $\int_{-2}^{2} \frac{x^2 - 4}{x^2 + 4} dx$ (2) $\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{x \cos x}{\sin^3 x} dx$ (3) $\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x \sin^6 x dx$

解析学定積分置換積分部分積分Wallisの公式
2025/7/23

1. 問題の内容

以下の3つの定積分の値を求める問題です。
(1) 22x24x2+4dx\int_{-2}^{2} \frac{x^2 - 4}{x^2 + 4} dx
(2) π4π3xcosxsin3xdx\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{x \cos x}{\sin^3 x} dx
(3) 0π2cos2xsin6xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x \sin^6 x dx

2. 解き方の手順

(1)
まず、被積分関数を変形します。
x24x2+4=x2+48x2+4=18x2+4\frac{x^2 - 4}{x^2 + 4} = \frac{x^2 + 4 - 8}{x^2 + 4} = 1 - \frac{8}{x^2 + 4}
よって、積分は次のようになります。
22x24x2+4dx=22(18x2+4)dx\int_{-2}^{2} \frac{x^2 - 4}{x^2 + 4} dx = \int_{-2}^{2} (1 - \frac{8}{x^2 + 4}) dx
=221dx8221x2+4dx= \int_{-2}^{2} 1 dx - 8 \int_{-2}^{2} \frac{1}{x^2 + 4} dx
=[x]228221x2+22dx= [x]_{-2}^{2} - 8 \int_{-2}^{2} \frac{1}{x^2 + 2^2} dx
ここで、x=2tanθx = 2\tan\theta と置換すると、dx=2sec2θdθdx = 2\sec^2\theta d\theta となり、x2+4=4tan2θ+4=4sec2θx^2 + 4 = 4\tan^2\theta + 4 = 4\sec^2\theta となります。
x=2x=-2 のとき tanθ=1\tan\theta = -1 なので θ=π/4\theta = -\pi/4
x=2x=2 のとき tanθ=1\tan\theta = 1 なので θ=π/4\theta = \pi/4
したがって、
221x2+4dx=π/4π/414sec2θ2sec2θdθ=12π/4π/4dθ=12[θ]π/4π/4=12(π4(π4))=π4\int_{-2}^{2} \frac{1}{x^2 + 4} dx = \int_{-\pi/4}^{\pi/4} \frac{1}{4\sec^2\theta} 2\sec^2\theta d\theta = \frac{1}{2} \int_{-\pi/4}^{\pi/4} d\theta = \frac{1}{2} [\theta]_{-\pi/4}^{\pi/4} = \frac{1}{2}(\frac{\pi}{4} - (-\frac{\pi}{4})) = \frac{\pi}{4}
したがって、
22x24x2+4dx=[x]228221x2+4dx=(2(2))8(π4)=42π\int_{-2}^{2} \frac{x^2 - 4}{x^2 + 4} dx = [x]_{-2}^{2} - 8 \int_{-2}^{2} \frac{1}{x^2 + 4} dx = (2 - (-2)) - 8(\frac{\pi}{4}) = 4 - 2\pi
(2)
π4π3xcosxsin3xdx\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{x \cos x}{\sin^3 x} dx
u=xu = x, dv=cosxsin3xdxdv = \frac{\cos x}{\sin^3 x} dx と置換積分を行う。
du=dxdu = dx
v=cosxsin3xdxv = \int \frac{\cos x}{\sin^3 x} dx
t=sinxt = \sin x とおくと, dt=cosxdxdt = \cos x dx.
cosxsin3xdx=1t3dt=t3dt=t22=12sin2x\int \frac{\cos x}{\sin^3 x} dx = \int \frac{1}{t^3} dt = \int t^{-3} dt = \frac{t^{-2}}{-2} = -\frac{1}{2\sin^2 x}
よって、v=12sin2xv = -\frac{1}{2\sin^2 x}
π4π3xcosxsin3xdx=[x(12sin2x)]π4π3π4π3(12sin2x)dx\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{x \cos x}{\sin^3 x} dx = [x (-\frac{1}{2\sin^2 x})]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} - \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} (-\frac{1}{2\sin^2 x}) dx
=[x2sin2x]π4π3+12π4π31sin2xdx= [-\frac{x}{2\sin^2 x}]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} + \frac{1}{2} \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{\sin^2 x} dx
=[x2sin2x]π4π3+12[cotx]π4π3= [-\frac{x}{2\sin^2 x}]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} + \frac{1}{2} [-\cot x]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}}
=[x2sin2x12cotx]π4π3= [-\frac{x}{2\sin^2 x} - \frac{1}{2} \cot x]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}}
=(π/32(3/4)1213)(π/42(1/2)12(1))= (-\frac{\pi/3}{2(3/4)} - \frac{1}{2}\frac{1}{\sqrt{3}}) - (-\frac{\pi/4}{2(1/2)} - \frac{1}{2}(1))
=(2π936)(π412)= (-\frac{2\pi}{9} - \frac{\sqrt{3}}{6}) - (-\frac{\pi}{4} - \frac{1}{2})
=2π936+π4+12= -\frac{2\pi}{9} - \frac{\sqrt{3}}{6} + \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2}
=π3636+12= \frac{\pi}{36} - \frac{\sqrt{3}}{6} + \frac{1}{2}
=π636+1836=π3+1836= \frac{\pi - 6\frac{\sqrt{3}}{6} + 18}{36} = \frac{\pi - \sqrt{3} + 18}{36}
(3)
0π2cos2xsin6xdx=0π2(cosx)2(sinx)6dx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x \sin^6 x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (\cos x)^2 (\sin x)^6 dx
Wallisの公式を使う。
0π2sinmxcosnxdx=Γ(m+12)Γ(n+12)2Γ(m+n+22)=Γ(6+12)Γ(2+12)2Γ(6+2+22)=Γ(72)Γ(32)2Γ(5)\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^m x \cos^n x dx = \frac{\Gamma(\frac{m+1}{2})\Gamma(\frac{n+1}{2})}{2\Gamma(\frac{m+n+2}{2})} = \frac{\Gamma(\frac{6+1}{2})\Gamma(\frac{2+1}{2})}{2\Gamma(\frac{6+2+2}{2})} = \frac{\Gamma(\frac{7}{2})\Gamma(\frac{3}{2})}{2\Gamma(5)}
Γ(5)=4!=24\Gamma(5) = 4! = 24
Γ(32)=12Γ(12)=π2\Gamma(\frac{3}{2}) = \frac{1}{2}\Gamma(\frac{1}{2}) = \frac{\sqrt{\pi}}{2}
Γ(72)=52Γ(52)=5232Γ(32)=154π2=15π8\Gamma(\frac{7}{2}) = \frac{5}{2} \Gamma(\frac{5}{2}) = \frac{5}{2} \frac{3}{2} \Gamma(\frac{3}{2}) = \frac{15}{4} \frac{\sqrt{\pi}}{2} = \frac{15\sqrt{\pi}}{8}
0π2cos2xsin6xdx=15π8π2224=15π1648=15π1648=15π768=5π256\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x \sin^6 x dx = \frac{\frac{15\sqrt{\pi}}{8}\frac{\sqrt{\pi}}{2}}{2\cdot 24} = \frac{\frac{15\pi}{16}}{48} = \frac{15\pi}{16 \cdot 48} = \frac{15\pi}{768} = \frac{5\pi}{256}

3. 最終的な答え

(1) 42π4 - 2\pi
(2) π3+1836\frac{\pi - \sqrt{3} + 18}{36}
(3) 5π256\frac{5\pi}{256}

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