与えられた3つの定積分の値を求めます。 (1) $\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{x}{\cos^2 x} dx$ (2) $\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\cos x} dx$ (3) $\int_{0}^{2} \frac{2x+1}{\sqrt{x^2+4}} dx$

解析学定積分部分積分置換積分三角関数
2025/6/10

1. 問題の内容

与えられた3つの定積分の値を求めます。
(1) 0π4xcos2xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{x}{\cos^2 x} dx
(2) 0π41cosxdx\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\cos x} dx
(3) 022x+1x2+4dx\int_{0}^{2} \frac{2x+1}{\sqrt{x^2+4}} dx

2. 解き方の手順

(1)
部分積分を用いて計算します。
u=x,dv=1cos2xdxu = x, dv = \frac{1}{\cos^2 x} dxとすると、du=dx,v=tanxdu = dx, v = \tan xとなります。
よって、
0π4xcos2xdx=[xtanx]0π40π4tanxdx\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{x}{\cos^2 x} dx = [x\tan x]_{0}^{\frac{\pi}{4}} - \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \tan x dx
=π4tanπ40tan00π4tanxdx=π40π4tanxdx= \frac{\pi}{4} \tan \frac{\pi}{4} - 0\tan 0 - \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \tan x dx = \frac{\pi}{4} - \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \tan x dx
tanxdx=sinxcosxdx\int \tan x dx = \int \frac{\sin x}{\cos x} dx
t=cosxt = \cos x とおくと dt=sinxdxdt = -\sin x dxより、
tanxdx=dtt=logt+C=logcosx+C\int \tan x dx = \int \frac{-dt}{t} = -\log |t| + C = -\log |\cos x| + C
したがって、
0π4tanxdx=[logcosx]0π4=log(cosπ4)+log(cos0)=log(12)+log(1)=log(212)+0=12log2\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \tan x dx = [-\log |\cos x|]_{0}^{\frac{\pi}{4}} = -\log(\cos \frac{\pi}{4}) + \log(\cos 0) = -\log(\frac{1}{\sqrt{2}}) + \log(1) = -\log(2^{-\frac{1}{2}}) + 0 = \frac{1}{2}\log 2
よって、
0π4xcos2xdx=π412log2\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{x}{\cos^2 x} dx = \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}\log 2
(2)
0π41cosxdx=0π4cosxcos2xdx=0π4cosx1sin2xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\cos x} dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{\cos x}{\cos^2 x} dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{\cos x}{1-\sin^2 x} dx
t=sinxt = \sin x とおくと dt=cosxdxdt = \cos x dx
x=0x=0のときt=0t=0x=π4x=\frac{\pi}{4}のときt=12t=\frac{1}{\sqrt{2}}
01211t2dt=0121(1t)(1+t)dt=12012(11t+11+t)dt\int_{0}^{\frac{1}{\sqrt{2}}} \frac{1}{1-t^2} dt = \int_{0}^{\frac{1}{\sqrt{2}}} \frac{1}{(1-t)(1+t)} dt = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{1}{\sqrt{2}}} (\frac{1}{1-t} + \frac{1}{1+t}) dt
=12[log1t+log1+t]012=12[log1+t1t]012=12log(1+12112)12log(1)=12log(2+121)=12log((2+1)221)=12log((2+1)2)=log(2+1)= \frac{1}{2} [-\log|1-t| + \log|1+t|]_{0}^{\frac{1}{\sqrt{2}}} = \frac{1}{2}[\log|\frac{1+t}{1-t}|]_{0}^{\frac{1}{\sqrt{2}}} = \frac{1}{2} \log(\frac{1+\frac{1}{\sqrt{2}}}{1-\frac{1}{\sqrt{2}}}) - \frac{1}{2}\log(1) = \frac{1}{2} \log(\frac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1}) = \frac{1}{2} \log(\frac{(\sqrt{2}+1)^2}{2-1}) = \frac{1}{2} \log((\sqrt{2}+1)^2) = \log(\sqrt{2}+1)
(3)
022x+1x2+4dx=022xx2+4dx+021x2+4dx\int_{0}^{2} \frac{2x+1}{\sqrt{x^2+4}} dx = \int_{0}^{2} \frac{2x}{\sqrt{x^2+4}} dx + \int_{0}^{2} \frac{1}{\sqrt{x^2+4}} dx
022xx2+4dx\int_{0}^{2} \frac{2x}{\sqrt{x^2+4}} dx について、 t=x2+4t = x^2+4 とおくと、dt=2xdxdt = 2x dx
x=0x=0のときt=4t=4x=2x=2のときt=8t=8
481tdt=[2t]48=2824=424\int_{4}^{8} \frac{1}{\sqrt{t}} dt = [2\sqrt{t}]_{4}^{8} = 2\sqrt{8} - 2\sqrt{4} = 4\sqrt{2} - 4
021x2+4dx=021x2+22dx\int_{0}^{2} \frac{1}{\sqrt{x^2+4}} dx = \int_{0}^{2} \frac{1}{\sqrt{x^2+2^2}} dx
x=2tanθx = 2\tan \thetaとおくと dx=2cos2θdθdx = \frac{2}{\cos^2 \theta} d\theta
x=0x=0のときθ=0\theta=0x=2x=2のときtanθ=1\tan \theta = 1よりθ=π4\theta=\frac{\pi}{4}
0π414tan2θ+42cos2θdθ=0π412tan2θ+12cos2θdθ=0π411cos2θ1cos2θdθ=0π411cosθ1cos2θdθ=0π41cosθdθ=0π4cosθcos2θdθ=0π4cosθ1sin2θdθ\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\sqrt{4\tan^2 \theta + 4}} \frac{2}{\cos^2 \theta} d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{2\sqrt{\tan^2 \theta + 1}} \frac{2}{\cos^2 \theta} d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\sqrt{\frac{1}{\cos^2 \theta}}} \frac{1}{\cos^2 \theta} d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\frac{1}{\cos \theta}} \frac{1}{\cos^2 \theta} d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\cos \theta} d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{\cos \theta}{\cos^2 \theta} d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{\cos \theta}{1 - \sin^2 \theta} d\theta
(2)より、0π41cosxdx=log(2+1)\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\cos x} dx = \log (\sqrt{2} + 1)
よって、022x+1x2+4dx=424+log(2+1)\int_{0}^{2} \frac{2x+1}{\sqrt{x^2+4}} dx = 4\sqrt{2} - 4 + \log (\sqrt{2}+1)

3. 最終的な答え

(1) π412log2\frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}\log 2
(2) log(2+1)\log(\sqrt{2}+1)
(3) 424+log(2+1)4\sqrt{2} - 4 + \log (\sqrt{2}+1)

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