次の定積分の値を求めます。 (1) $\int_0^1 e^{2x} dx$ (2) $\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{2-x^2}} dx$ (3) $\int_0^{\pi} x\sin x dx$ (4) $\int_0^2 \frac{2x}{x^2+4} dx$ (5) $\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^4 x dx$

解析学定積分積分置換積分部分積分
2025/7/28

1. 問題の内容

次の定積分の値を求めます。
(1) 01e2xdx\int_0^1 e^{2x} dx
(2) 0112x2dx\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{2-x^2}} dx
(3) 0πxsinxdx\int_0^{\pi} x\sin x dx
(4) 022xx2+4dx\int_0^2 \frac{2x}{x^2+4} dx
(5) 0π2cos4xdx\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^4 x dx

2. 解き方の手順

(1)
e2xdx=12e2x+C\int e^{2x} dx = \frac{1}{2} e^{2x} + C
したがって、
01e2xdx=[12e2x]01=12e212e0=12e212=e212\int_0^1 e^{2x} dx = \left[ \frac{1}{2} e^{2x} \right]_0^1 = \frac{1}{2} e^2 - \frac{1}{2} e^0 = \frac{1}{2}e^2 - \frac{1}{2} = \frac{e^2-1}{2}
(2)
x=2sinθx = \sqrt{2} \sin \theta とおくと、dx=2cosθdθdx = \sqrt{2} \cos \theta d\theta
x=0x=0のときθ=0\theta=0, x=1x=1のときsinθ=12\sin \theta = \frac{1}{\sqrt{2}} より θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}
2x2=22sin2θ=21sin2θ=2cosθ\sqrt{2-x^2} = \sqrt{2-2\sin^2 \theta} = \sqrt{2} \sqrt{1-\sin^2 \theta} = \sqrt{2} \cos \theta
0112x2dx=0π412cosθ2cosθdθ=0π41dθ=[θ]0π4=π4\int_0^1 \frac{1}{\sqrt{2-x^2}} dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\sqrt{2} \cos \theta} \sqrt{2} \cos \theta d\theta = \int_0^{\frac{\pi}{4}} 1 d\theta = \left[ \theta \right]_0^{\frac{\pi}{4}} = \frac{\pi}{4}
(3)
部分積分を行う。xsinxdx=x(cosx)1(cosx)dx=xcosx+sinx+C\int x \sin x dx = x(-\cos x) - \int 1 \cdot (-\cos x) dx = -x\cos x + \sin x + C
したがって、
0πxsinxdx=[xcosx+sinx]0π=(πcosπ+sinπ)(0cos0+sin0)=(π(1)+0)(0+0)=π\int_0^{\pi} x \sin x dx = \left[ -x\cos x + \sin x \right]_0^{\pi} = (-\pi \cos \pi + \sin \pi) - (0\cos 0 + \sin 0) = (-\pi(-1) + 0) - (0+0) = \pi
(4)
t=x2+4t = x^2+4 とおくと、dt=2xdxdt = 2x dx
x=0x=0のときt=4t=4, x=2x=2のときt=8t=8
022xx2+4dx=481tdt=[lnt]48=ln8ln4=ln84=ln2\int_0^2 \frac{2x}{x^2+4} dx = \int_4^8 \frac{1}{t} dt = \left[ \ln |t| \right]_4^8 = \ln 8 - \ln 4 = \ln \frac{8}{4} = \ln 2
(5)
cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1+\cos 2x}{2}
cos4x=(cos2x)2=(1+cos2x2)2=14(1+2cos2x+cos22x)=14(1+2cos2x+1+cos4x2)=14(1+2cos2x+12+12cos4x)=14(32+2cos2x+12cos4x)=38+12cos2x+18cos4x\cos^4 x = (\cos^2 x)^2 = (\frac{1+\cos 2x}{2})^2 = \frac{1}{4}(1+2\cos 2x + \cos^2 2x) = \frac{1}{4}(1+2\cos 2x + \frac{1+\cos 4x}{2}) = \frac{1}{4}(1+2\cos 2x + \frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos 4x) = \frac{1}{4}(\frac{3}{2}+2\cos 2x + \frac{1}{2}\cos 4x) = \frac{3}{8} + \frac{1}{2}\cos 2x + \frac{1}{8}\cos 4x
cos4xdx=(38+12cos2x+18cos4x)dx=38x+14sin2x+132sin4x+C\int \cos^4 x dx = \int (\frac{3}{8} + \frac{1}{2}\cos 2x + \frac{1}{8}\cos 4x) dx = \frac{3}{8}x + \frac{1}{4}\sin 2x + \frac{1}{32}\sin 4x + C
0π2cos4xdx=[38x+14sin2x+132sin4x]0π2=(38π2+14sinπ+132sin2π)(0+0+0)=3π16+0+0=3π16\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^4 x dx = \left[ \frac{3}{8}x + \frac{1}{4}\sin 2x + \frac{1}{32}\sin 4x \right]_0^{\frac{\pi}{2}} = (\frac{3}{8}\cdot\frac{\pi}{2} + \frac{1}{4}\sin \pi + \frac{1}{32}\sin 2\pi) - (0+0+0) = \frac{3\pi}{16} + 0 + 0 = \frac{3\pi}{16}

3. 最終的な答え

(1) e212\frac{e^2-1}{2}
(2) π4\frac{\pi}{4}
(3) π\pi
(4) ln2\ln 2
(5) 3π16\frac{3\pi}{16}

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