以下の3つの定積分を計算します。 (1) $\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x dx$ (2) $\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \sin 3x \sin x dx$ (3) $\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{dx}{\tan^2 x}$

解析学定積分三角関数積分
2025/4/20

1. 問題の内容

以下の3つの定積分を計算します。
(1) 0π2cos2xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x dx
(2) 0π4sin3xsinxdx\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \sin 3x \sin x dx
(3) π6π3dxtan2x\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{dx}{\tan^2 x}

2. 解き方の手順

(1) 0π2cos2xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x dx の計算
cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2} を利用します。
0π2cos2xdx=0π21+cos2x2dx=120π2(1+cos2x)dx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1 + \cos 2x}{2} dx = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (1 + \cos 2x) dx
=12[x+12sin2x]0π2=12[π2+12sinπ(0+12sin0)]=12[π2+00]=π4= \frac{1}{2} \left[ x + \frac{1}{2} \sin 2x \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{2} \left[ \frac{\pi}{2} + \frac{1}{2} \sin \pi - (0 + \frac{1}{2} \sin 0) \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{\pi}{2} + 0 - 0 \right] = \frac{\pi}{4}
(2) 0π4sin3xsinxdx\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \sin 3x \sin x dx の計算
sinAsinB=12[cos(AB)cos(A+B)]\sin A \sin B = \frac{1}{2} [\cos(A-B) - \cos(A+B)] を利用します。
sin3xsinx=12[cos(3xx)cos(3x+x)]=12(cos2xcos4x)\sin 3x \sin x = \frac{1}{2} [\cos(3x - x) - \cos(3x + x)] = \frac{1}{2} (\cos 2x - \cos 4x)
0π4sin3xsinxdx=0π412(cos2xcos4x)dx=120π4(cos2xcos4x)dx\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \sin 3x \sin x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{2} (\cos 2x - \cos 4x) dx = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} (\cos 2x - \cos 4x) dx
=12[12sin2x14sin4x]0π4=12[12sinπ214sinπ(12sin014sin0)]= \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} \sin 2x - \frac{1}{4} \sin 4x \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}} = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} \sin \frac{\pi}{2} - \frac{1}{4} \sin \pi - ( \frac{1}{2} \sin 0 - \frac{1}{4} \sin 0 ) \right]
=12[12(1)14(0)(00)]=12[12]=14= \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} (1) - \frac{1}{4} (0) - (0 - 0) \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} \right] = \frac{1}{4}
(3) π6π3dxtan2x\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{dx}{\tan^2 x} の計算
1tan2x=cos2xsin2x=cot2x\frac{1}{\tan^2 x} = \frac{\cos^2 x}{\sin^2 x} = \cot^2 x
cot2x=1sin2x1\cot^2 x = \frac{1}{\sin^2 x} - 1
π6π3dxtan2x=π6π3cot2xdx=π6π3(1sin2x1)dx=π6π3(csc2x1)dx\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{dx}{\tan^2 x} = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \cot^2 x dx = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} (\frac{1}{\sin^2 x} - 1) dx = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} (\csc^2 x - 1) dx
=[cotxx]π6π3=(cotπ3π3)(cotπ6π6)= \left[ - \cot x - x \right]_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} = \left( - \cot \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{3} \right) - \left( - \cot \frac{\pi}{6} - \frac{\pi}{6} \right)
=(13π3)(3π6)=13π3+3+π6=333π6=233π6= \left( - \frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{\pi}{3} \right) - \left( - \sqrt{3} - \frac{\pi}{6} \right) = - \frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{\pi}{3} + \sqrt{3} + \frac{\pi}{6} = \sqrt{3} - \frac{\sqrt{3}}{3} - \frac{\pi}{6} = \frac{2\sqrt{3}}{3} - \frac{\pi}{6}

3. 最終的な答え

(1) π4\frac{\pi}{4}
(2) 14\frac{1}{4}
(3) 233π6\frac{2\sqrt{3}}{3} - \frac{\pi}{6}

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