$\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} \cos{t} \cos{3t} dt$ を計算する問題です。

解析学積分三角関数積和の公式
2025/5/11

1. 問題の内容

π65π6costcos3tdt\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} \cos{t} \cos{3t} dt を計算する問題です。

2. 解き方の手順

積和の公式 cosAcosB=12(cos(A+B)+cos(AB))\cos{A}\cos{B} = \frac{1}{2}(\cos{(A+B)} + \cos{(A-B)}) を用いて積分を計算します。
costcos3t=12(cos(t+3t)+cos(t3t))=12(cos4t+cos(2t))=12(cos4t+cos2t)\cos{t}\cos{3t} = \frac{1}{2}(\cos{(t+3t)} + \cos{(t-3t)}) = \frac{1}{2}(\cos{4t} + \cos{(-2t)}) = \frac{1}{2}(\cos{4t} + \cos{2t})
したがって、
π65π6costcos3tdt=π65π612(cos4t+cos2t)dt=12π65π6(cos4t+cos2t)dt\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} \cos{t} \cos{3t} dt = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} \frac{1}{2}(\cos{4t} + \cos{2t}) dt = \frac{1}{2}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} (\cos{4t} + \cos{2t}) dt
12π65π6(cos4t+cos2t)dt=12[14sin4t+12sin2t]π65π6\frac{1}{2}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} (\cos{4t} + \cos{2t}) dt = \frac{1}{2}[\frac{1}{4}\sin{4t} + \frac{1}{2}\sin{2t}]_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}}
=12[14sin20π6+12sin10π6(14sin4π6+12sin2π6)]= \frac{1}{2}[\frac{1}{4}\sin{\frac{20\pi}{6}} + \frac{1}{2}\sin{\frac{10\pi}{6}} - (\frac{1}{4}\sin{\frac{4\pi}{6}} + \frac{1}{2}\sin{\frac{2\pi}{6}})]
=12[14sin10π3+12sin5π3(14sin2π3+12sinπ3)]= \frac{1}{2}[\frac{1}{4}\sin{\frac{10\pi}{3}} + \frac{1}{2}\sin{\frac{5\pi}{3}} - (\frac{1}{4}\sin{\frac{2\pi}{3}} + \frac{1}{2}\sin{\frac{\pi}{3}})]
=12[14sin(4π3)+12sin(5π3)(14sin(2π3)+12sin(π3))]= \frac{1}{2}[\frac{1}{4}\sin{(\frac{4\pi}{3})} + \frac{1}{2}\sin{(\frac{5\pi}{3})} - (\frac{1}{4}\sin{(\frac{2\pi}{3})} + \frac{1}{2}\sin{(\frac{\pi}{3})})]
=12[14(32)+12(32)(14(32)+12(32))]= \frac{1}{2}[\frac{1}{4}(-\frac{\sqrt{3}}{2}) + \frac{1}{2}(-\frac{\sqrt{3}}{2}) - (\frac{1}{4}(\frac{\sqrt{3}}{2}) + \frac{1}{2}(\frac{\sqrt{3}}{2}))]
=12[38343834]= \frac{1}{2}[-\frac{\sqrt{3}}{8} - \frac{\sqrt{3}}{4} - \frac{\sqrt{3}}{8} - \frac{\sqrt{3}}{4}]
=12[3432]= \frac{1}{2}[-\frac{\sqrt{3}}{4} - \frac{\sqrt{3}}{2}]
=12[334]=338= \frac{1}{2}[-\frac{3\sqrt{3}}{4}] = -\frac{3\sqrt{3}}{8}

3. 最終的な答え

338-\frac{3\sqrt{3}}{8}

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