与えられた8つの定積分を計算する問題です。 (1) $\int_{0}^{1} \sin^{-1} x \, dx$ (2) $\int_{0}^{1} x \cos^{-1} x \, dx$ (3) $\int_{1/4}^{1/2} \frac{1}{\sqrt{1 - 4x^2}} \, dx$ (4) $\int_{0}^{1} \frac{1}{x^2 + 4x + 3} \, dx$ (5) $\int_{0}^{1} \frac{1}{1 + 3x^2} \, dx$ (6) $\int_{0}^{1} \frac{2x + 1}{x^2 + x + 1} \, dx$ (7) $\int_{0}^{\pi/2} \frac{\cos x}{1 + \sin^2 x} \, dx$ (8) $\int_{1}^{2} x^3 \log x \, dx$

解析学定積分部分積分置換積分三角関数
2025/7/31

1. 問題の内容

与えられた8つの定積分を計算する問題です。
(1) 01sin1xdx\int_{0}^{1} \sin^{-1} x \, dx
(2) 01xcos1xdx\int_{0}^{1} x \cos^{-1} x \, dx
(3) 1/41/2114x2dx\int_{1/4}^{1/2} \frac{1}{\sqrt{1 - 4x^2}} \, dx
(4) 011x2+4x+3dx\int_{0}^{1} \frac{1}{x^2 + 4x + 3} \, dx
(5) 0111+3x2dx\int_{0}^{1} \frac{1}{1 + 3x^2} \, dx
(6) 012x+1x2+x+1dx\int_{0}^{1} \frac{2x + 1}{x^2 + x + 1} \, dx
(7) 0π/2cosx1+sin2xdx\int_{0}^{\pi/2} \frac{\cos x}{1 + \sin^2 x} \, dx
(8) 12x3logxdx\int_{1}^{2} x^3 \log x \, dx

2. 解き方の手順

各積分を個別に計算します。
(1) 01sin1xdx\int_{0}^{1} \sin^{-1} x \, dx
部分積分を使います。u=sin1xu = \sin^{-1} x, dv=dxdv = dx とすると、du=11x2dxdu = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx, v=xv = x です。
sin1xdx=xsin1xx1x2dx\int \sin^{-1} x \, dx = x \sin^{-1} x - \int \frac{x}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx
x1x2dx\int \frac{x}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx は、t=1x2t = 1 - x^2 と置換すると、dt=2xdxdt = -2x \, dx となるので、
x1x2dx=121tdt=t=1x2\int \frac{x}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx = -\frac{1}{2} \int \frac{1}{\sqrt{t}} \, dt = -\sqrt{t} = \sqrt{1 - x^2}
したがって、sin1xdx=xsin1x+1x2\int \sin^{-1} x \, dx = x \sin^{-1} x + \sqrt{1 - x^2}
01sin1xdx=[xsin1x+1x2]01=(1π2+0)(0+1)=π21\int_{0}^{1} \sin^{-1} x \, dx = [x \sin^{-1} x + \sqrt{1 - x^2}]_{0}^{1} = (1 \cdot \frac{\pi}{2} + 0) - (0 + 1) = \frac{\pi}{2} - 1
(2) 01xcos1xdx\int_{0}^{1} x \cos^{-1} x \, dx
部分積分を使います。u=cos1xu = \cos^{-1} x, dv=xdxdv = x \, dx とすると、du=11x2dxdu = -\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx, v=x22v = \frac{x^2}{2} です。
xcos1xdx=x22cos1x+12x21x2dx\int x \cos^{-1} x \, dx = \frac{x^2}{2} \cos^{-1} x + \frac{1}{2} \int \frac{x^2}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx
x=sinθx = \sin \theta と置換すると、dx=cosθdθdx = \cos \theta \, d\theta となり、x21x2dx=sin2θcosθcosθdθ=sin2θdθ=1cos2θ2dθ=θ2sin2θ4=θ2sinθcosθ2=sin1x2x1x22\int \frac{x^2}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx = \int \frac{\sin^2 \theta}{\cos \theta} \cos \theta \, d\theta = \int \sin^2 \theta \, d\theta = \int \frac{1 - \cos 2\theta}{2} \, d\theta = \frac{\theta}{2} - \frac{\sin 2\theta}{4} = \frac{\theta}{2} - \frac{\sin \theta \cos \theta}{2} = \frac{\sin^{-1} x}{2} - \frac{x\sqrt{1 - x^2}}{2}
したがって、xcos1xdx=x22cos1x+12(sin1x2x1x22)\int x \cos^{-1} x \, dx = \frac{x^2}{2} \cos^{-1} x + \frac{1}{2} \left( \frac{\sin^{-1} x}{2} - \frac{x\sqrt{1 - x^2}}{2} \right)
01xcos1xdx=[x22cos1x+sin1x4x1x24]01=(120+π80)(0+00)=π8\int_{0}^{1} x \cos^{-1} x \, dx = \left[ \frac{x^2}{2} \cos^{-1} x + \frac{\sin^{-1} x}{4} - \frac{x\sqrt{1 - x^2}}{4} \right]_{0}^{1} = \left( \frac{1}{2} \cdot 0 + \frac{\pi}{8} - 0 \right) - (0 + 0 - 0) = \frac{\pi}{8}
(3) 1/41/2114x2dx=1/41/211(2x)2dx\int_{1/4}^{1/2} \frac{1}{\sqrt{1 - 4x^2}} \, dx = \int_{1/4}^{1/2} \frac{1}{\sqrt{1 - (2x)^2}} \, dx
t=2xt = 2x と置換すると、dt=2dxdt = 2 \, dx となり、
11(2x)2dx=1211t2dt=12sin1t=12sin1(2x)\int \frac{1}{\sqrt{1 - (2x)^2}} \, dx = \frac{1}{2} \int \frac{1}{\sqrt{1 - t^2}} \, dt = \frac{1}{2} \sin^{-1} t = \frac{1}{2} \sin^{-1} (2x)
1/41/2114x2dx=[12sin1(2x)]1/41/2=12(sin1(1)sin1(12))=12(π2π6)=12π3=π6\int_{1/4}^{1/2} \frac{1}{\sqrt{1 - 4x^2}} \, dx = \left[ \frac{1}{2} \sin^{-1} (2x) \right]_{1/4}^{1/2} = \frac{1}{2} \left( \sin^{-1} (1) - \sin^{-1} (\frac{1}{2}) \right) = \frac{1}{2} \left( \frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{6} \right) = \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{3} = \frac{\pi}{6}
(4) 011x2+4x+3dx=011(x+1)(x+3)dx=0112(1x+11x+3)dx\int_{0}^{1} \frac{1}{x^2 + 4x + 3} \, dx = \int_{0}^{1} \frac{1}{(x + 1)(x + 3)} \, dx = \int_{0}^{1} \frac{1}{2} \left( \frac{1}{x + 1} - \frac{1}{x + 3} \right) \, dx
=12[log(x+1)log(x+3)]01=12[log(x+1x+3)]01=12(log(24)log(13))=12(log(12)log(13))=12log(32)= \frac{1}{2} [\log(x + 1) - \log(x + 3)]_{0}^{1} = \frac{1}{2} \left[ \log(\frac{x + 1}{x + 3}) \right]_{0}^{1} = \frac{1}{2} \left( \log(\frac{2}{4}) - \log(\frac{1}{3}) \right) = \frac{1}{2} \left( \log(\frac{1}{2}) - \log(\frac{1}{3}) \right) = \frac{1}{2} \log(\frac{3}{2})
(5) 0111+3x2dx=0111+(3x)2dx\int_{0}^{1} \frac{1}{1 + 3x^2} \, dx = \int_{0}^{1} \frac{1}{1 + (\sqrt{3}x)^2} \, dx
t=3xt = \sqrt{3} x と置換すると、dt=3dxdt = \sqrt{3} \, dx となり、
11+(3x)2dx=1311+t2dt=13arctant=13arctan(3x)\int \frac{1}{1 + (\sqrt{3}x)^2} \, dx = \frac{1}{\sqrt{3}} \int \frac{1}{1 + t^2} \, dt = \frac{1}{\sqrt{3}} \arctan t = \frac{1}{\sqrt{3}} \arctan(\sqrt{3} x)
0111+3x2dx=[13arctan(3x)]01=13(arctan(3)arctan(0))=13(π30)=π33\int_{0}^{1} \frac{1}{1 + 3x^2} \, dx = \left[ \frac{1}{\sqrt{3}} \arctan(\sqrt{3} x) \right]_{0}^{1} = \frac{1}{\sqrt{3}} \left( \arctan(\sqrt{3}) - \arctan(0) \right) = \frac{1}{\sqrt{3}} \left( \frac{\pi}{3} - 0 \right) = \frac{\pi}{3\sqrt{3}}
(6) 012x+1x2+x+1dx\int_{0}^{1} \frac{2x + 1}{x^2 + x + 1} \, dx
t=x2+x+1t = x^2 + x + 1 と置換すると、dt=(2x+1)dxdt = (2x + 1) \, dx となり、
2x+1x2+x+1dx=1tdt=logt=log(x2+x+1)\int \frac{2x + 1}{x^2 + x + 1} \, dx = \int \frac{1}{t} \, dt = \log |t| = \log (x^2 + x + 1)
012x+1x2+x+1dx=[log(x2+x+1)]01=log(3)log(1)=log3\int_{0}^{1} \frac{2x + 1}{x^2 + x + 1} \, dx = [\log (x^2 + x + 1)]_{0}^{1} = \log (3) - \log (1) = \log 3
(7) 0π/2cosx1+sin2xdx\int_{0}^{\pi/2} \frac{\cos x}{1 + \sin^2 x} \, dx
t=sinxt = \sin x と置換すると、dt=cosxdxdt = \cos x \, dx となり、
cosx1+sin2xdx=11+t2dt=arctant=arctan(sinx)\int \frac{\cos x}{1 + \sin^2 x} \, dx = \int \frac{1}{1 + t^2} \, dt = \arctan t = \arctan(\sin x)
0π/2cosx1+sin2xdx=[arctan(sinx)]0π/2=arctan(sinπ2)arctan(sin0)=arctan(1)arctan(0)=π40=π4\int_{0}^{\pi/2} \frac{\cos x}{1 + \sin^2 x} \, dx = [\arctan(\sin x)]_{0}^{\pi/2} = \arctan(\sin \frac{\pi}{2}) - \arctan(\sin 0) = \arctan(1) - \arctan(0) = \frac{\pi}{4} - 0 = \frac{\pi}{4}
(8) 12x3logxdx\int_{1}^{2} x^3 \log x \, dx
部分積分を使います。u=logxu = \log x, dv=x3dxdv = x^3 \, dx とすると、du=1xdxdu = \frac{1}{x} \, dx, v=x44v = \frac{x^4}{4} です。
x3logxdx=x44logxx441xdx=x44logx14x3dx=x44logxx416\int x^3 \log x \, dx = \frac{x^4}{4} \log x - \int \frac{x^4}{4} \cdot \frac{1}{x} \, dx = \frac{x^4}{4} \log x - \frac{1}{4} \int x^3 \, dx = \frac{x^4}{4} \log x - \frac{x^4}{16}
12x3logxdx=[x44logxx416]12=(164log21616)(14log1116)=4log21+116=4log21516\int_{1}^{2} x^3 \log x \, dx = \left[ \frac{x^4}{4} \log x - \frac{x^4}{16} \right]_{1}^{2} = \left( \frac{16}{4} \log 2 - \frac{16}{16} \right) - \left( \frac{1}{4} \log 1 - \frac{1}{16} \right) = 4 \log 2 - 1 + \frac{1}{16} = 4 \log 2 - \frac{15}{16}

3. 最終的な答え

(1) π21\frac{\pi}{2} - 1
(2) π8\frac{\pi}{8}
(3) π6\frac{\pi}{6}
(4) 12log(32)\frac{1}{2} \log(\frac{3}{2})
(5) π33\frac{\pi}{3\sqrt{3}}
(6) log3\log 3
(7) π4\frac{\pi}{4}
(8) 4log215164 \log 2 - \frac{15}{16}

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