次の定積分を求めます。 (1) $\int_{1}^{e} \frac{dx}{x}$ (2) $\int_{1}^{2} \frac{dy}{y^3}$ (3) $\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{d\theta}{\cos^2\theta}$ (4) $\int_{0}^{1} (e^x - e^{-x})dx$ (5) $\int_{1}^{2} \frac{dx}{x(x-3)}$ (6) $\int_{0}^{\pi} \cos x \sin 4x dx$ (7) $\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \sin^2 x dx$ (8) $\int_{0}^{2\pi} |\sin x| dx$ (9) $\int_{0}^{4} \sqrt{|x-1|} dx$ (10) $\int_{0}^{1} |e^x - 2| dx$

解析学定積分積分計算三角関数絶対値
2025/6/9

1. 問題の内容

次の定積分を求めます。
(1) 1edxx\int_{1}^{e} \frac{dx}{x}
(2) 12dyy3\int_{1}^{2} \frac{dy}{y^3}
(3) 0π4dθcos2θ\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{d\theta}{\cos^2\theta}
(4) 01(exex)dx\int_{0}^{1} (e^x - e^{-x})dx
(5) 12dxx(x3)\int_{1}^{2} \frac{dx}{x(x-3)}
(6) 0πcosxsin4xdx\int_{0}^{\pi} \cos x \sin 4x dx
(7) 0π4sin2xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \sin^2 x dx
(8) 02πsinxdx\int_{0}^{2\pi} |\sin x| dx
(9) 04x1dx\int_{0}^{4} \sqrt{|x-1|} dx
(10) 01ex2dx\int_{0}^{1} |e^x - 2| dx

2. 解き方の手順

(1)
1edxx=[lnx]1e=lneln1=10=1\int_{1}^{e} \frac{dx}{x} = [\ln|x|]_{1}^{e} = \ln e - \ln 1 = 1 - 0 = 1
(2)
12dyy3=12y3dy=[y22]12=[12y2]12=1222(1212)=18+12=1+48=38\int_{1}^{2} \frac{dy}{y^3} = \int_{1}^{2} y^{-3} dy = [\frac{y^{-2}}{-2}]_{1}^{2} = [-\frac{1}{2y^2}]_{1}^{2} = -\frac{1}{2 \cdot 2^2} - (-\frac{1}{2 \cdot 1^2}) = -\frac{1}{8} + \frac{1}{2} = \frac{-1 + 4}{8} = \frac{3}{8}
(3)
0π4dθcos2θ=0π4sec2θdθ=[tanθ]0π4=tanπ4tan0=10=1\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{d\theta}{\cos^2\theta} = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \sec^2\theta d\theta = [\tan\theta]_{0}^{\frac{\pi}{4}} = \tan\frac{\pi}{4} - \tan 0 = 1 - 0 = 1
(4)
01(exex)dx=[ex+ex]01=(e1+e1)(e0+e0)=e+1e(1+1)=e+1e2\int_{0}^{1} (e^x - e^{-x})dx = [e^x + e^{-x}]_{0}^{1} = (e^1 + e^{-1}) - (e^0 + e^{-0}) = e + \frac{1}{e} - (1 + 1) = e + \frac{1}{e} - 2
(5)
1x(x3)=Ax+Bx3\frac{1}{x(x-3)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x-3}
1=A(x3)+Bx1 = A(x-3) + Bx
1=(A+B)x3A1 = (A+B)x - 3A
A+B=0A+B = 0, 3A=1-3A = 1
A=13A = -\frac{1}{3}, B=13B = \frac{1}{3}
12dxx(x3)=12(13x+13(x3))dx=[13lnx+13lnx3]12=[13lnx3x]12=13ln23213ln131=13ln1213ln2=13(ln12ln2)=13(ln1ln2ln2)=13(2ln2)=23ln2\int_{1}^{2} \frac{dx}{x(x-3)} = \int_{1}^{2} (-\frac{1}{3x} + \frac{1}{3(x-3)})dx = [-\frac{1}{3} \ln|x| + \frac{1}{3} \ln|x-3|]_{1}^{2} = [\frac{1}{3} \ln|\frac{x-3}{x}|]_{1}^{2} = \frac{1}{3} \ln|\frac{2-3}{2}| - \frac{1}{3} \ln|\frac{1-3}{1}| = \frac{1}{3} \ln\frac{1}{2} - \frac{1}{3} \ln 2 = \frac{1}{3} (\ln\frac{1}{2} - \ln 2) = \frac{1}{3} (\ln 1 - \ln 2 - \ln 2) = \frac{1}{3} (-2 \ln 2) = -\frac{2}{3} \ln 2
(6)
0πcosxsin4xdx=0πcosx(4sinxcosx4sin3x)dx\int_{0}^{\pi} \cos x \sin 4x dx = \int_{0}^{\pi} \cos x (4 \sin x \cos x - 4 \sin^3 x) dx
=0πcosx(4sinxcosx4sinx(1cos2x))dx=0π(4sinxcos2x4sinx+4sinxcos2x)dx=0π(8sinxcos2x4sinxcos4x)dx=[83cos3x45cos5x]0π=(83(1)345(1)5)(83(1)345(1)5)=(83+45)(8345)=2(83+45)=2(40+1215)=25215=10415= \int_{0}^{\pi} \cos x (4 \sin x \cos x - 4 \sin x (1 - \cos^2 x)) dx = \int_{0}^{\pi} (4\sin x \cos^2 x - 4 \sin x + 4 \sin x \cos^2 x) dx = \int_{0}^{\pi} (8 \sin x \cos^2 x - 4 \sin x \cos^4 x) dx = [-\frac{8}{3} \cos^3 x - \frac{4}{5} \cos^5 x]_{0}^{\pi} = (-\frac{8}{3}(-1)^3 - \frac{4}{5}(-1)^5) - (-\frac{8}{3}(1)^3 - \frac{4}{5}(1)^5) = (\frac{8}{3} + \frac{4}{5}) - (-\frac{8}{3} - \frac{4}{5}) = 2 (\frac{8}{3} + \frac{4}{5}) = 2 (\frac{40+12}{15}) = \frac{2 \cdot 52}{15} = \frac{104}{15}
sin4x=2sin2xcos2x=4sinxcosx(2cos2x1)\sin 4x = 2 \sin 2x \cos 2x = 4 \sin x \cos x (2 \cos^2 x -1)
0π12[sin(4x+x)+sin(4xx)]dx=12[sin5xsin3x]=12[cos5x5cos3x3]=12[(cos5π5+cos3π3)(cos05+cos03)]=12[((1)5+13)(15+13)]=12[(1513)(15+13)]=12[(3515)(3+515)]=12(215215)=215 \int_{0}^{\pi} \frac{1}{2} [\sin(4x+x) + \sin (4x-x)]dx= \frac{1}{2} [\sin 5x - \sin 3x] = \frac{1}{2} [\frac{-\cos5x}{5} - \frac{-cos3x}{3}] = \frac{1}{2}[(\frac{-\cos5\pi}{5}+\frac{\cos3\pi}{3}) - (\frac{-\cos0}{5} + \frac{\cos0}{3})] = \frac{1}{2} [(\frac{-(-1)}{5}+\frac{-1}{3}) - (\frac{-1}{5} + \frac{1}{3})] = \frac{1}{2} [(\frac{1}{5} - \frac{1}{3}) - (\frac{-1}{5} + \frac{1}{3})] = \frac{1}{2}[(\frac{3-5}{15})-(\frac{-3+5}{15})] = \frac{1}{2} (\frac{-2}{15} - \frac{2}{15}) = \frac{-2}{15}
(7)
0π4sin2xdx=0π41cos2x2dx=[x2sin2x4]0π4=(π8sinπ24)(00)=π814\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \sin^2 x dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1 - \cos 2x}{2} dx = [\frac{x}{2} - \frac{\sin 2x}{4}]_{0}^{\frac{\pi}{4}} = (\frac{\pi}{8} - \frac{\sin \frac{\pi}{2}}{4}) - (0 - 0) = \frac{\pi}{8} - \frac{1}{4}
(8)
02πsinxdx=0πsinxdx+π2π(sinx)dx=[cosx]0π+[cosx]π2π=(cosπ(cos0))+(cos2πcosπ)=((1)(1))+(1(1))=(1+1)+(1+1)=2+2=4\int_{0}^{2\pi} |\sin x| dx = \int_{0}^{\pi} \sin x dx + \int_{\pi}^{2\pi} (-\sin x) dx = [-\cos x]_{0}^{\pi} + [\cos x]_{\pi}^{2\pi} = (-\cos\pi - (-\cos 0)) + (\cos 2\pi - \cos \pi) = (-(-1) - (-1)) + (1 - (-1)) = (1+1) + (1+1) = 2+2 = 4
(9)
04x1dx=011xdx+14x1dx=[23(1x)32]01+[23(x1)32]14=(0(23(1)32))+(23(3)320)=23+2333=23+23=2+633\int_{0}^{4} \sqrt{|x-1|} dx = \int_{0}^{1} \sqrt{1-x} dx + \int_{1}^{4} \sqrt{x-1} dx = [-\frac{2}{3} (1-x)^{\frac{3}{2}}]_{0}^{1} + [\frac{2}{3} (x-1)^{\frac{3}{2}}]_{1}^{4} = (0 - (-\frac{2}{3} (1)^{\frac{3}{2}})) + (\frac{2}{3} (3)^{\frac{3}{2}} - 0) = \frac{2}{3} + \frac{2}{3} 3\sqrt{3} = \frac{2}{3} + 2\sqrt{3} = \frac{2+6\sqrt{3}}{3}
(10)
ex2=ex2|e^x - 2| = e^x - 2 when ex2e^x \ge 2 or xln2x \ge \ln 2
ex2=2ex|e^x - 2| = 2 - e^x when ex<2e^x < 2 or x<ln2x < \ln 2
01ex2dx=0ln2(2ex)dx+ln21(ex2)dx=[2xex]0ln2+[ex2x]ln21=(2ln2eln2)(0e0)+(e121)(eln22ln2)=(2ln22)+1+(e2)(22ln2)=2ln22+1+e22+2ln2=4ln2+e5\int_{0}^{1} |e^x - 2| dx = \int_{0}^{\ln 2} (2-e^x) dx + \int_{\ln 2}^{1} (e^x-2) dx = [2x - e^x]_{0}^{\ln 2} + [e^x - 2x]_{\ln 2}^{1} = (2 \ln 2 - e^{\ln 2}) - (0 - e^0) + (e^1 - 2 \cdot 1) - (e^{\ln 2} - 2 \ln 2) = (2 \ln 2 - 2) + 1 + (e-2) - (2 - 2 \ln 2) = 2 \ln 2 - 2 + 1 + e - 2 - 2 + 2 \ln 2 = 4 \ln 2 + e - 5

3. 最終的な答え

(1) 1
(2) 38\frac{3}{8}
(3) 1
(4) e+1e2e + \frac{1}{e} - 2
(5) 23ln2-\frac{2}{3} \ln 2
(6) 215-\frac{2}{15}
(7) π814\frac{\pi}{8} - \frac{1}{4}
(8) 4
(9) 2+633\frac{2+6\sqrt{3}}{3}
(10) 4ln2+e54 \ln 2 + e - 5

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