与えられた定積分を計算する問題です。具体的には、以下の6つの定積分を計算する必要があります。 (1) $\int_{1}^{2} \log x dx$ (2) $\int_{0}^{1} x^{2} \tan^{-1} x dx$ (3) $\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{7} x dx$ (4) $\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^{5} x dx$ (5) $\int_{0}^{3\pi} \sin^{4} \frac{x}{3} dx$ (6) $\int_{0}^{1} x^{5} \sqrt{1-x^{2}} dx$

解析学定積分部分積分三角関数
2025/7/23
## 解答

1. 問題の内容

与えられた定積分を計算する問題です。具体的には、以下の6つの定積分を計算する必要があります。
(1) 12logxdx\int_{1}^{2} \log x dx
(2) 01x2tan1xdx\int_{0}^{1} x^{2} \tan^{-1} x dx
(3) 0π2sin7xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{7} x dx
(4) π2π2cos5xdx\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^{5} x dx
(5) 03πsin4x3dx\int_{0}^{3\pi} \sin^{4} \frac{x}{3} dx
(6) 01x51x2dx\int_{0}^{1} x^{5} \sqrt{1-x^{2}} dx

2. 解き方の手順

**(1) 12logxdx\int_{1}^{2} \log x dx**
部分積分を利用します。uvdx=uvuvdx\int u v' dx = uv - \int u' v dxにおいて、u=logxu = \log x, v=1v' = 1とおくと、u=1xu' = \frac{1}{x}, v=xv = xとなります。したがって、
12logxdx=[xlogx]1212x1xdx=[xlogx]1212dx\int_{1}^{2} \log x dx = [x \log x]_{1}^{2} - \int_{1}^{2} x \cdot \frac{1}{x} dx = [x \log x]_{1}^{2} - \int_{1}^{2} dx
=(2log21log1)[x]12=2log2(21)=2log21= (2 \log 2 - 1 \log 1) - [x]_{1}^{2} = 2 \log 2 - (2 - 1) = 2 \log 2 - 1
**(2) 01x2tan1xdx\int_{0}^{1} x^{2} \tan^{-1} x dx**
部分積分を利用します。u=tan1xu = \tan^{-1} x, v=x2v' = x^{2}とおくと、u=11+x2u' = \frac{1}{1+x^{2}}, v=x33v = \frac{x^{3}}{3}となります。したがって、
01x2tan1xdx=[x33tan1x]0101x3311+x2dx=13tan111301x31+x2dx\int_{0}^{1} x^{2} \tan^{-1} x dx = [\frac{x^{3}}{3} \tan^{-1} x]_{0}^{1} - \int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{3} \cdot \frac{1}{1+x^{2}} dx = \frac{1}{3} \tan^{-1} 1 - \frac{1}{3} \int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{1+x^{2}} dx
=13π41301x31+x2dx=π121301x31+x2dx= \frac{1}{3} \cdot \frac{\pi}{4} - \frac{1}{3} \int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{1+x^{2}} dx = \frac{\pi}{12} - \frac{1}{3} \int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{1+x^{2}} dx
01x31+x2dx\int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{1+x^{2}} dxを計算します。x31+x2=xx1+x2\frac{x^{3}}{1+x^{2}} = x - \frac{x}{1+x^{2}}なので、
01x31+x2dx=01(xx1+x2)dx=[x2212log(1+x2)]01=(1212log2)(00)=1212log2\int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{1+x^{2}} dx = \int_{0}^{1} (x - \frac{x}{1+x^{2}}) dx = [\frac{x^{2}}{2} - \frac{1}{2} \log (1+x^{2})]_{0}^{1} = (\frac{1}{2} - \frac{1}{2} \log 2) - (0 - 0) = \frac{1}{2} - \frac{1}{2} \log 2
したがって、01x2tan1xdx=π1213(1212log2)=π1216+16log2\int_{0}^{1} x^{2} \tan^{-1} x dx = \frac{\pi}{12} - \frac{1}{3} (\frac{1}{2} - \frac{1}{2} \log 2) = \frac{\pi}{12} - \frac{1}{6} + \frac{1}{6} \log 2
**(3) 0π2sin7xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{7} x dx**
漸化式を用いるか、直接計算します。今回は直接計算します。
0π2sin7xdx=0π2sin6xsinxdx=0π2(1cos2x)3sinxdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{7} x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{6} x \cdot \sin x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (1 - \cos^{2} x)^{3} \sin x dx
t=cosxt = \cos xとおくと、dt=sinxdxdt = - \sin x dxx:0π2x: 0 \to \frac{\pi}{2}のとき、t:10t: 1 \to 0なので、
0π2(1cos2x)3sinxdx=10(1t2)3(dt)=01(13t2+3t4t6)dt\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (1 - \cos^{2} x)^{3} \sin x dx = \int_{1}^{0} (1 - t^{2})^{3} (-dt) = \int_{0}^{1} (1 - 3t^{2} + 3t^{4} - t^{6}) dt
=[tt3+35t517t7]01=11+3517=21535=1635= [t - t^{3} + \frac{3}{5} t^{5} - \frac{1}{7} t^{7}]_{0}^{1} = 1 - 1 + \frac{3}{5} - \frac{1}{7} = \frac{21 - 5}{35} = \frac{16}{35}
**(4) π2π2cos5xdx\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^{5} x dx**
cosx\cos xは偶関数なので、cos5x\cos^{5} xも偶関数です。したがって、
π2π2cos5xdx=20π2cos5xdx\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^{5} x dx = 2 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^{5} x dx
0π2cos5xdx=0π2cos4xcosxdx=0π2(1sin2x)2cosxdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^{5} x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^{4} x \cdot \cos x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (1 - \sin^{2} x)^{2} \cos x dx
t=sinxt = \sin xとおくと、dt=cosxdxdt = \cos x dxx:0π2x: 0 \to \frac{\pi}{2}のとき、t:01t: 0 \to 1なので、
0π2(1sin2x)2cosxdx=01(1t2)2dt=01(12t2+t4)dt\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (1 - \sin^{2} x)^{2} \cos x dx = \int_{0}^{1} (1 - t^{2})^{2} dt = \int_{0}^{1} (1 - 2t^{2} + t^{4}) dt
=[t23t3+15t5]01=123+15=1510+315=815= [t - \frac{2}{3} t^{3} + \frac{1}{5} t^{5}]_{0}^{1} = 1 - \frac{2}{3} + \frac{1}{5} = \frac{15 - 10 + 3}{15} = \frac{8}{15}
したがって、π2π2cos5xdx=2815=1615\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^{5} x dx = 2 \cdot \frac{8}{15} = \frac{16}{15}
**(5) 03πsin4x3dx\int_{0}^{3\pi} \sin^{4} \frac{x}{3} dx**
t=x3t = \frac{x}{3}とおくと、dx=3dtdx = 3 dtx:03πx: 0 \to 3\piのとき、t:0πt: 0 \to \piなので、
03πsin4x3dx=0πsin4t3dt=30πsin4tdt\int_{0}^{3\pi} \sin^{4} \frac{x}{3} dx = \int_{0}^{\pi} \sin^{4} t \cdot 3 dt = 3 \int_{0}^{\pi} \sin^{4} t dt
sin4t=(sin2t)2=(1cos2t2)2=14(12cos2t+cos22t)=14(12cos2t+1+cos4t2)=18(34cos2t+cos4t)\sin^{4} t = (\sin^{2} t)^{2} = (\frac{1 - \cos 2t}{2})^{2} = \frac{1}{4} (1 - 2 \cos 2t + \cos^{2} 2t) = \frac{1}{4} (1 - 2 \cos 2t + \frac{1 + \cos 4t}{2}) = \frac{1}{8} (3 - 4 \cos 2t + \cos 4t)
30πsin4tdt=30π18(34cos2t+cos4t)dt=38[3t2sin2t+14sin4t]0π=38(3π0+0)=9π83 \int_{0}^{\pi} \sin^{4} t dt = 3 \int_{0}^{\pi} \frac{1}{8} (3 - 4 \cos 2t + \cos 4t) dt = \frac{3}{8} [3t - 2 \sin 2t + \frac{1}{4} \sin 4t]_{0}^{\pi} = \frac{3}{8} (3\pi - 0 + 0) = \frac{9\pi}{8}
**(6) 01x51x2dx\int_{0}^{1} x^{5} \sqrt{1-x^{2}} dx**
t=1x2t = 1 - x^{2}とおくと、x2=1tx^{2} = 1 - tdt=2xdxdt = -2x dxx:01x: 0 \to 1のとき、t:10t: 1 \to 0なので、
01x51x2dx=01x41x2xdx=10(1t)2t(12)dt=1201(12t+t2)t12dt=1201(t122t32+t52)dt\int_{0}^{1} x^{5} \sqrt{1-x^{2}} dx = \int_{0}^{1} x^{4} \sqrt{1-x^{2}} x dx = \int_{1}^{0} (1-t)^{2} \sqrt{t} (-\frac{1}{2}) dt = \frac{1}{2} \int_{0}^{1} (1 - 2t + t^{2}) t^{\frac{1}{2}} dt = \frac{1}{2} \int_{0}^{1} (t^{\frac{1}{2}} - 2t^{\frac{3}{2}} + t^{\frac{5}{2}}) dt
=12[23t3245t52+27t72]01=12(2345+27)=12(7084+30105)=1216105=8105= \frac{1}{2} [\frac{2}{3} t^{\frac{3}{2}} - \frac{4}{5} t^{\frac{5}{2}} + \frac{2}{7} t^{\frac{7}{2}}]_{0}^{1} = \frac{1}{2} (\frac{2}{3} - \frac{4}{5} + \frac{2}{7}) = \frac{1}{2} (\frac{70 - 84 + 30}{105}) = \frac{1}{2} \cdot \frac{16}{105} = \frac{8}{105}

3. 最終的な答え

(1) 2log212 \log 2 - 1
(2) π1216+16log2\frac{\pi}{12} - \frac{1}{6} + \frac{1}{6} \log 2
(3) 1635\frac{16}{35}
(4) 1615\frac{16}{15}
(5) 9π8\frac{9\pi}{8}
(6) 8105\frac{8}{105}

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