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

解析学定積分積分計算置換積分三角関数
2025/5/26

1. 問題の内容

与えられた6つの定積分を計算する問題です。
(1) 12x+1dx\int_{1}^{2} \sqrt{x+1} \, dx
(2) 01(2x+1)3dx\int_{0}^{1} (2x+1)^3 \, dx
(3) 11(etet)dt\int_{-1}^{1} (e^t - e^{-t}) \, dt
(4) 0πsin2xdx\int_{0}^{\pi} \sin 2x \, dx
(5) 02πcos2xdx\int_{0}^{2\pi} \cos^2 x \, dx
(6) 0π2sin4θcos2θdθ\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin 4\theta \cos 2\theta \, d\theta

2. 解き方の手順

(1) 12x+1dx\int_{1}^{2} \sqrt{x+1} \, dx
u=x+1u = x+1 と置換すると、du=dxdu = dx。積分範囲はx=1x=1のときu=2u=2x=2x=2のときu=3u=3
23udu=23u1/2du=[23u3/2]23=23(33/223/2)=23(3322)\int_{2}^{3} \sqrt{u} \, du = \int_{2}^{3} u^{1/2} \, du = \left[ \frac{2}{3} u^{3/2} \right]_{2}^{3} = \frac{2}{3}(3^{3/2} - 2^{3/2}) = \frac{2}{3}(3\sqrt{3} - 2\sqrt{2})
(2) 01(2x+1)3dx\int_{0}^{1} (2x+1)^3 \, dx
u=2x+1u = 2x+1 と置換すると、du=2dxdu = 2dx より dx=12dudx = \frac{1}{2} du。積分範囲はx=0x=0のときu=1u=1x=1x=1のときu=3u=3
13u312du=1213u3du=12[14u4]13=18(3414)=18(811)=808=10\int_{1}^{3} u^3 \frac{1}{2} \, du = \frac{1}{2} \int_{1}^{3} u^3 \, du = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{4} u^4 \right]_{1}^{3} = \frac{1}{8}(3^4 - 1^4) = \frac{1}{8}(81-1) = \frac{80}{8} = 10
(3) 11(etet)dt\int_{-1}^{1} (e^t - e^{-t}) \, dt
11(etet)dt=[et+et]11=(e1+e1)(e1+e1)=0\int_{-1}^{1} (e^t - e^{-t}) \, dt = \left[ e^t + e^{-t} \right]_{-1}^{1} = (e^1 + e^{-1}) - (e^{-1} + e^1) = 0
または、被積分関数が奇関数であることから、積分範囲が1-1から11なので、積分値は00
(4) 0πsin2xdx\int_{0}^{\pi} \sin 2x \, dx
0πsin2xdx=[12cos2x]0π=12(cos2πcos0)=12(11)=0\int_{0}^{\pi} \sin 2x \, dx = \left[ -\frac{1}{2} \cos 2x \right]_{0}^{\pi} = -\frac{1}{2} (\cos 2\pi - \cos 0) = -\frac{1}{2}(1-1) = 0
(5) 02πcos2xdx\int_{0}^{2\pi} \cos^2 x \, dx
cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}より、
02πcos2xdx=02π1+cos2x2dx=1202π(1+cos2x)dx=12[x+12sin2x]02π=12[(2π+12sin4π)(0+12sin0)]=12(2π)=π\int_{0}^{2\pi} \cos^2 x \, dx = \int_{0}^{2\pi} \frac{1 + \cos 2x}{2} \, dx = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} (1 + \cos 2x) \, dx = \frac{1}{2} \left[ x + \frac{1}{2} \sin 2x \right]_{0}^{2\pi} = \frac{1}{2} \left[ (2\pi + \frac{1}{2}\sin 4\pi) - (0 + \frac{1}{2}\sin 0) \right] = \frac{1}{2} (2\pi) = \pi
(6) 0π2sin4θcos2θdθ\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin 4\theta \cos 2\theta \, d\theta
積和の公式sinAcosB=12(sin(A+B)+sin(AB))\sin A \cos B = \frac{1}{2}(\sin(A+B) + \sin(A-B))を用いると、
sin4θcos2θ=12(sin6θ+sin2θ)\sin 4\theta \cos 2\theta = \frac{1}{2} (\sin 6\theta + \sin 2\theta)
0π2sin4θcos2θdθ=0π212(sin6θ+sin2θ)dθ=12[16cos6θ12cos2θ]0π2=12[(16cos3π12cosπ)(16cos012cos0)]=12[(16(1)12(1))(1612)]=12[16+12+16+12]=12[26+1]=12[13+1]=1243=23\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin 4\theta \cos 2\theta \, d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{2} (\sin 6\theta + \sin 2\theta) \, d\theta = \frac{1}{2} \left[ -\frac{1}{6} \cos 6\theta - \frac{1}{2} \cos 2\theta \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{2} \left[ \left(-\frac{1}{6}\cos 3\pi - \frac{1}{2} \cos \pi \right) - \left(-\frac{1}{6}\cos 0 - \frac{1}{2}\cos 0 \right) \right] = \frac{1}{2} \left[ \left(-\frac{1}{6}(-1) - \frac{1}{2}(-1) \right) - \left(-\frac{1}{6} - \frac{1}{2} \right) \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{6} + \frac{1}{2} + \frac{1}{6} + \frac{1}{2} \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{2}{6} + 1 \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{3} + 1 \right] = \frac{1}{2} \cdot \frac{4}{3} = \frac{2}{3}

3. 最終的な答え

(1) 23(3322)\frac{2}{3}(3\sqrt{3} - 2\sqrt{2})
(2) 1010
(3) 00
(4) 00
(5) π\pi
(6) 23\frac{2}{3}

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