## 数学の問題

解析学定積分積分計算部分積分置換積分
2025/7/31
## 数学の問題
与えられた8つの定積分の値を求める問題です。

1. $\int_{0}^{2} x^2 e^{2x} dx$

2. $\int_{0}^{a/2} \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}} \quad (a>0)$

3. $\int_{0}^{\pi/4} \cos^3 x \, dx$

4. $\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{1+x}{1+x^2} \, dx$

5. $\int_{0}^{1} \frac{x}{x^4+1} \, dx$

6. $\int_{0}^{2} \frac{x}{(1+x^2)^2} \, dx$

7. $\int_{0}^{2} x \log(x^2+1) \, dx$

8. $\int_{1}^{2} x e^{x^2} \, dx$

## 解き方の手順
一つずつ積分を計算します。
### (1) 02x2e2xdx\int_{0}^{2} x^2 e^{2x} dx
部分積分を2回適用します。
I=x2e2xdxI = \int x^2 e^{2x} dx
u=x2u = x^2, dv=e2xdxdv = e^{2x} dxとすると、du=2xdxdu = 2x dx, v=12e2xv = \frac{1}{2} e^{2x}となります。
I=12x2e2xxe2xdxI = \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}となります。
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}
よって、
I=12x2e2x(12xe2x14e2x)=12x2e2x12xe2x+14e2xI = \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\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
=(12(4)e412(2)e4+14e4)(00+14)= (\frac{1}{2}(4)e^4 - \frac{1}{2}(2)e^4 + \frac{1}{4}e^4) - (0 - 0 + \frac{1}{4})
=(2e4e4+14e4)14=e4+14e414=5e414= (2e^4 - e^4 + \frac{1}{4}e^4) - \frac{1}{4} = e^4 + \frac{1}{4}e^4 - \frac{1}{4} = \frac{5e^4 - 1}{4}
### (2) 0a/2dxa2x2(a>0)\int_{0}^{a/2} \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}} \quad (a>0)
x=asinθx = a \sin\thetaと置換すると、dx=acosθdθdx = a \cos\theta \, d\theta
x=0x=0のとき、θ=0\theta=0x=a/2x=a/2のとき、sinθ=1/2\sin\theta = 1/2なので、θ=π/6\theta = \pi/6
0a/2dxa2x2=0π/6acosθa2a2sin2θdθ=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}{\sqrt{a^2 - a^2 \sin^2\theta}} \, d\theta = \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=cos2xcosx=(1sin2x)cosx\cos^3 x = \cos^2 x \cdot \cos x = (1-\sin^2 x) \cos x
u=sinxu = \sin xと置くと、du=cosxdxdu = \cos x \, dx
x=0x=0のとき、u=0u=0x=π/4x=\pi/4のとき、u=sin(π/4)=12=22u=\sin(\pi/4)=\frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}
0π/4cos3xdx=02/2(1u2)du=[uu33]02/2=(22(2/2)33)0=222283=22212=62212=5212\int_{0}^{\pi/4} \cos^3 x \, dx = \int_0^{\sqrt{2}/2} (1-u^2) \, du = [u - \frac{u^3}{3}]_0^{\sqrt{2}/2} = (\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{(\sqrt{2}/2)^3}{3}) - 0 = \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{2\sqrt{2}}{8 \cdot 3} = \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{12} = \frac{6\sqrt{2} - \sqrt{2}}{12} = \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=arctan(3)arctan(0)=π30=π3\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{1}{1+x^2} \, dx = [\arctan x]_0^{\sqrt{3}} = \arctan(\sqrt{3}) - \arctan(0) = \frac{\pi}{3} - 0 = \frac{\pi}{3}
03x1+x2dx\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{x}{1+x^2} \, dxで、u=1+x2u = 1+x^2と置換すると、du=2xdxdu = 2x \, dx
x=0x=0のとき、u=1u=1x=3x=\sqrt{3}のとき、u=1+3=4u=1+3=4
03x1+x2dx=12141udu=12[lnu]14=12(ln4ln1)=12ln4=ln2\int_{0}^{\sqrt{3}} \frac{x}{1+x^2} \, dx = \frac{1}{2}\int_1^4 \frac{1}{u} \, du = \frac{1}{2}[\ln u]_1^4 = \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
### (5) 01xx4+1dx\int_{0}^{1} \frac{x}{x^4+1} \, dx
u=x2u = x^2と置換すると、du=2xdxdu = 2x \, dx
x=0x=0のとき、u=0u=0x=1x=1のとき、u=1u=1
01xx4+1dx=12011u2+1du=12[arctanu]01=12(arctan(1)arctan(0))=12(π40)=π8\int_{0}^{1} \frac{x}{x^4+1} \, dx = \frac{1}{2} \int_0^1 \frac{1}{u^2+1} \, du = \frac{1}{2} [\arctan u]_0^1 = \frac{1}{2} (\arctan(1) - \arctan(0)) = \frac{1}{2} (\frac{\pi}{4} - 0) = \frac{\pi}{8}
### (6) 02x(1+x2)2dx\int_{0}^{2} \frac{x}{(1+x^2)^2} \, dx
u=1+x2u = 1+x^2と置換すると、du=2xdxdu = 2x \, dx
x=0x=0のとき、u=1u=1x=2x=2のとき、u=1+4=5u=1+4=5
02x(1+x2)2dx=12151u2du=1215u2du=12[u1]15=12[1u]15=12(15(1))=12(115)=12(45)=25\int_{0}^{2} \frac{x}{(1+x^2)^2} \, dx = \frac{1}{2} \int_1^5 \frac{1}{u^2} \, du = \frac{1}{2} \int_1^5 u^{-2} \, du = \frac{1}{2} [-u^{-1}]_1^5 = \frac{1}{2} [-\frac{1}{u}]_1^5 = \frac{1}{2} (-\frac{1}{5} - (-1)) = \frac{1}{2} (1 - \frac{1}{5}) = \frac{1}{2} (\frac{4}{5}) = \frac{2}{5}
### (7) 02xlog(x2+1)dx\int_{0}^{2} x \log(x^2+1) \, dx
u=x2+1u = x^2+1と置換すると、du=2xdxdu = 2x \, dx
x=0x=0のとき、u=1u=1x=2x=2のとき、u=4+1=5u=4+1=5
02xlog(x2+1)dx=1215logudu\int_{0}^{2} x \log(x^2+1) \, dx = \frac{1}{2} \int_1^5 \log u \, du
logudu=uloguu\int \log u \, du = u \log u - u (部分積分)
1215logudu=12[uloguu]15=12[(5log55)(1log11)]=12(5log550+1)=12(5log54)\frac{1}{2} \int_1^5 \log u \, du = \frac{1}{2} [u \log u - u]_1^5 = \frac{1}{2} [(5 \log 5 - 5) - (1 \log 1 - 1)] = \frac{1}{2} (5 \log 5 - 5 - 0 + 1) = \frac{1}{2} (5 \log 5 - 4)
### (8) 12xex2dx\int_{1}^{2} x e^{x^2} \, dx
u=x2u = x^2と置換すると、du=2xdxdu = 2x \, dx
x=1x=1のとき、u=1u=1x=2x=2のとき、u=4u=4
12xex2dx=1214eudu=12[eu]14=12(e4e1)=e4e2\int_{1}^{2} x e^{x^2} \, dx = \frac{1}{2} \int_1^4 e^u \, du = \frac{1}{2} [e^u]_1^4 = \frac{1}{2} (e^4 - e^1) = \frac{e^4 - e}{2}
## 最終的な答え

1. $\frac{5e^4 - 1}{4}$

2. $\frac{\pi}{6}$

3. $\frac{5\sqrt{2}}{12}$

4. $\frac{\pi}{3} + \ln 2$

5. $\frac{\pi}{8}$

6. $\frac{2}{5}$

7. $\frac{5 \log 5 - 4}{2}$

8. $\frac{e^4 - e}{2}$

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