以下の4つの定積分の値を求めます。 (1) $\int_0^2 x^2 e^{2x} dx$ (2) $\int_0^{a/2} \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}}$ (3) $\int_0^{\pi/4} \cos^3 x dx$ (4) $\int_0^{\sqrt{3}} \frac{1 + x}{1 + x^2} dx$

解析学定積分部分積分置換積分三角関数積分計算
2025/7/28
はい、承知いたしました。問題の定積分を解いていきます。

1. 問題の内容

以下の4つの定積分の値を求めます。
(1) 02x2e2xdx\int_0^2 x^2 e^{2x} dx
(2) 0a/2dxa2x2\int_0^{a/2} \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}}
(3) 0π/4cos3xdx\int_0^{\pi/4} \cos^3 x dx
(4) 031+x1+x2dx\int_0^{\sqrt{3}} \frac{1 + x}{1 + x^2} dx

2. 解き方の手順

(1) 02x2e2xdx\int_0^2 x^2 e^{2x} dx
部分積分を2回用います。
u=x2u = x^2, dv=e2xdxdv = e^{2x} dx とすると、du=2xdxdu = 2x dx, v=12e2xv = \frac{1}{2} e^{2x}
x2e2xdx=12x2e2xxe2xdx\int x^2 e^{2x} dx = \frac{1}{2} x^2 e^{2x} - \int x e^{2x} dx
次に、xe2xdx\int x e^{2x} dx を部分積分します。
u=xu = x, dv=e2xdxdv = e^{2x} dx とすると、du=dxdu = dx, v=12e2xv = \frac{1}{2} e^{2x}
xe2xdx=12xe2x12e2xdx=12xe2x14e2x\int x e^{2x} dx = \frac{1}{2} x e^{2x} - \int \frac{1}{2} e^{2x} dx = \frac{1}{2} x e^{2x} - \frac{1}{4} e^{2x}
したがって、
x2e2xdx=12x2e2x(12xe2x14e2x)=12x2e2x12xe2x+14e2x\int x^2 e^{2x} dx = \frac{1}{2} x^2 e^{2x} - (\frac{1}{2} x e^{2x} - \frac{1}{4} e^{2x}) = \frac{1}{2} x^2 e^{2x} - \frac{1}{2} x e^{2x} + \frac{1}{4} e^{2x}
02x2e2xdx=[12x2e2x12xe2x+14e2x]02=12(4)e412(2)e4+14e414=2e4e4+14e414=e4+14e414=54e414\int_0^2 x^2 e^{2x} dx = \left[ \frac{1}{2} x^2 e^{2x} - \frac{1}{2} x e^{2x} + \frac{1}{4} e^{2x} \right]_0^2 = \frac{1}{2} (4) e^4 - \frac{1}{2} (2) e^4 + \frac{1}{4} e^4 - \frac{1}{4} = 2 e^4 - e^4 + \frac{1}{4} e^4 - \frac{1}{4} = e^4 + \frac{1}{4} e^4 - \frac{1}{4} = \frac{5}{4} e^4 - \frac{1}{4}
(2) 0a/2dxa2x2\int_0^{a/2} \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}}
x=asinθx = a \sin \theta と置換すると、dx=acosθdθdx = a \cos \theta d\theta
a2x2=a2a2sin2θ=acosθ\sqrt{a^2 - x^2} = \sqrt{a^2 - a^2 \sin^2 \theta} = a \cos \theta
積分範囲は、x=0θ=0x = 0 \Rightarrow \theta = 0, x=a/2sinθ=1/2θ=π/6x = a/2 \Rightarrow \sin \theta = 1/2 \Rightarrow \theta = \pi/6
0a/2dxa2x2=0π/6acosθacosθdθ=0π/6dθ=[θ]0π/6=π6\int_0^{a/2} \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}} = \int_0^{\pi/6} \frac{a \cos \theta}{a \cos \theta} d\theta = \int_0^{\pi/6} d\theta = [\theta]_0^{\pi/6} = \frac{\pi}{6}
(3) 0π/4cos3xdx\int_0^{\pi/4} \cos^3 x dx
cos3x=cosx(1sin2x)\cos^3 x = \cos x (1 - \sin^2 x)
0π/4cos3xdx=0π/4cosx(1sin2x)dx\int_0^{\pi/4} \cos^3 x dx = \int_0^{\pi/4} \cos x (1 - \sin^2 x) dx
u=sinxu = \sin x と置換すると、du=cosxdxdu = \cos x dx
積分範囲は、x=0u=0x = 0 \Rightarrow u = 0, x=π/4u=12x = \pi/4 \Rightarrow u = \frac{1}{\sqrt{2}}
0π/4cosx(1sin2x)dx=012(1u2)du=[u13u3]012=1213122=12162=6162=562=5212\int_0^{\pi/4} \cos x (1 - \sin^2 x) dx = \int_0^{\frac{1}{\sqrt{2}}} (1 - u^2) du = \left[ u - \frac{1}{3} u^3 \right]_0^{\frac{1}{\sqrt{2}}} = \frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{3} \frac{1}{2\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{6\sqrt{2}} = \frac{6 - 1}{6\sqrt{2}} = \frac{5}{6\sqrt{2}} = \frac{5\sqrt{2}}{12}
(4) 031+x1+x2dx\int_0^{\sqrt{3}} \frac{1 + x}{1 + x^2} dx
031+x1+x2dx=0311+x2dx+03x1+x2dx\int_0^{\sqrt{3}} \frac{1 + x}{1 + x^2} dx = \int_0^{\sqrt{3}} \frac{1}{1 + x^2} dx + \int_0^{\sqrt{3}} \frac{x}{1 + x^2} dx
0311+x2dx=[arctanx]03=arctan3arctan0=π3\int_0^{\sqrt{3}} \frac{1}{1 + x^2} dx = [\arctan x]_0^{\sqrt{3}} = \arctan \sqrt{3} - \arctan 0 = \frac{\pi}{3}
03x1+x2dx=12032x1+x2dx=12[ln(1+x2)]03=12(ln4ln1)=12ln4=ln2\int_0^{\sqrt{3}} \frac{x}{1 + x^2} dx = \frac{1}{2} \int_0^{\sqrt{3}} \frac{2x}{1 + x^2} dx = \frac{1}{2} [\ln (1 + x^2)]_0^{\sqrt{3}} = \frac{1}{2} (\ln 4 - \ln 1) = \frac{1}{2} \ln 4 = \ln 2
031+x1+x2dx=π3+ln2\int_0^{\sqrt{3}} \frac{1 + x}{1 + x^2} dx = \frac{\pi}{3} + \ln 2

3. 最終的な答え

(1) 54e414\frac{5}{4} e^4 - \frac{1}{4}
(2) π6\frac{\pi}{6}
(3) 5212\frac{5\sqrt{2}}{12}
(4) π3+ln2\frac{\pi}{3} + \ln 2

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