与えられた4つの積分を計算します。 (1) $\int (\csc x + \tan x) \cos x \, dx$ (2) $\int \frac{\sin^2 4x}{\cos^2 4x} \, dx$ (3) $\int \cos 5x \cos 3x \, dx$ (4) $\int \cos^2 \frac{x}{4} \, dx$

解析学積分三角関数置換積分積和の公式
2025/6/12

1. 問題の内容

与えられた4つの積分を計算します。
(1) (cscx+tanx)cosxdx\int (\csc x + \tan x) \cos x \, dx
(2) sin24xcos24xdx\int \frac{\sin^2 4x}{\cos^2 4x} \, dx
(3) cos5xcos3xdx\int \cos 5x \cos 3x \, dx
(4) cos2x4dx\int \cos^2 \frac{x}{4} \, dx

2. 解き方の手順

(1) (cscx+tanx)cosxdx\int (\csc x + \tan x) \cos x \, dx
まず、cscx=1sinx\csc x = \frac{1}{\sin x}tanx=sinxcosx\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}を使って式を簡略化します。
(1sinx+sinxcosx)cosxdx=(cosxsinx+sinx)dx=(cotx+sinx)dx\int (\frac{1}{\sin x} + \frac{\sin x}{\cos x}) \cos x \, dx = \int (\frac{\cos x}{\sin x} + \sin x) \, dx = \int (\cot x + \sin x) \, dx
cotxdx=lnsinx\int \cot x \, dx = \ln |\sin x|
sinxdx=cosx\int \sin x \, dx = -\cos x
したがって、(cotx+sinx)dx=lnsinxcosx+C\int (\cot x + \sin x) \, dx = \ln |\sin x| - \cos x + C
(2) sin24xcos24xdx\int \frac{\sin^2 4x}{\cos^2 4x} \, dx
sin24xcos24x=tan24x\frac{\sin^2 4x}{\cos^2 4x} = \tan^2 4x
tan24x=sec24x1\tan^2 4x = \sec^2 4x - 1
tan24xdx=(sec24x1)dx=sec24xdx1dx\int \tan^2 4x \, dx = \int (\sec^2 4x - 1) \, dx = \int \sec^2 4x \, dx - \int 1 \, dx
sec24xdx=14tan4x\int \sec^2 4x \, dx = \frac{1}{4} \tan 4x
1dx=x\int 1 \, dx = x
したがって、(sec24x1)dx=14tan4xx+C\int (\sec^2 4x - 1) \, dx = \frac{1}{4} \tan 4x - x + C
(3) cos5xcos3xdx\int \cos 5x \cos 3x \, dx
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)]
cos5xcos3x=12[cos(5x+3x)+cos(5x3x)]=12[cos8x+cos2x]\cos 5x \cos 3x = \frac{1}{2} [\cos(5x+3x) + \cos(5x-3x)] = \frac{1}{2} [\cos 8x + \cos 2x]
cos5xcos3xdx=12(cos8x+cos2x)dx=12(cos8xdx+cos2xdx)\int \cos 5x \cos 3x \, dx = \frac{1}{2} \int (\cos 8x + \cos 2x) \, dx = \frac{1}{2} (\int \cos 8x \, dx + \int \cos 2x \, dx)
cos8xdx=18sin8x\int \cos 8x \, dx = \frac{1}{8} \sin 8x
cos2xdx=12sin2x\int \cos 2x \, dx = \frac{1}{2} \sin 2x
したがって、12(18sin8x+12sin2x)+C=116sin8x+14sin2x+C\frac{1}{2} (\frac{1}{8} \sin 8x + \frac{1}{2} \sin 2x) + C = \frac{1}{16} \sin 8x + \frac{1}{4} \sin 2x + C
(4) cos2x4dx\int \cos^2 \frac{x}{4} \, dx
cos2A=1+cos2A2\cos^2 A = \frac{1 + \cos 2A}{2}
cos2x4=1+cosx22\cos^2 \frac{x}{4} = \frac{1 + \cos \frac{x}{2}}{2}
cos2x4dx=1+cosx22dx=12(1+cosx2)dx=12(1dx+cosx2dx)\int \cos^2 \frac{x}{4} \, dx = \int \frac{1 + \cos \frac{x}{2}}{2} \, dx = \frac{1}{2} \int (1 + \cos \frac{x}{2}) \, dx = \frac{1}{2} (\int 1 \, dx + \int \cos \frac{x}{2} \, dx)
1dx=x\int 1 \, dx = x
cosx2dx=2sinx2\int \cos \frac{x}{2} \, dx = 2 \sin \frac{x}{2}
したがって、12(x+2sinx2)+C=x2+sinx2+C\frac{1}{2} (x + 2 \sin \frac{x}{2}) + C = \frac{x}{2} + \sin \frac{x}{2} + C

3. 最終的な答え

(1) lnsinxcosx+C\ln |\sin x| - \cos x + C
(2) 14tan4xx+C\frac{1}{4} \tan 4x - x + C
(3) 116sin8x+14sin2x+C\frac{1}{16} \sin 8x + \frac{1}{4} \sin 2x + C
(4) x2+sinx2+C\frac{x}{2} + \sin \frac{x}{2} + C

「解析学」の関連問題

次の極限を求めます。 $\displaystyle \lim_{x \to 1} \frac{\sin \pi x}{x-1}$

極限三角関数lim
2025/6/13

$\lim_{x \to 0} \frac{3 \sin^{-1}(\frac{x}{5})}{x}$ を求める問題です。

極限ロピタルの定理逆三角関数マクローリン展開
2025/6/13

$\lim_{x \to 0} \frac{\cos x - 1}{x \sin x}$ の値をロピタルの定理を用いて求め、$\frac{1}{[ア]}$ の形で表したときの$[ア]$に入る数字を求め...

極限ロピタルの定理微積分
2025/6/13

次の極限を求めます。 $\lim_{x \to \frac{\pi}{2}} \frac{x - \frac{\pi}{2}}{\tan x}$

極限三角関数置換不定形加法定理
2025/6/13

与えられた極限 $\lim_{x \to 1} \frac{1 - x^2}{\sin(x-1)}$ を計算する問題です。

極限三角関数因数分解
2025/6/13

与えられた極限 $\lim_{x \to 1} \frac{1 - x^2}{\sin(x - 1)}$ を計算します。

極限三角関数因数分解
2025/6/13

以下の極限値を求める問題です。 $\lim_{x \to \infty} x (\tan^{-1}x - \frac{\pi}{2})$ これは、$\lim_{x \to \infty} \frac{...

極限ロピタルの定理逆正接関数
2025/6/13

$a$を実数とする。$\theta$の方程式 $2\cos^2\theta + \sqrt{3}\sin2\theta - 4a(\sqrt{3}\cos\theta + \sin\theta - 2...

三角関数方程式解の個数二次方程式三角関数の合成微分積分
2025/6/13

次の極限を求める問題です。 $\lim_{x \to \frac{\pi}{2}} \frac{x - \frac{\pi}{2}}{\tan x}$

極限ロピタルの定理微分三角関数
2025/6/13

$\lim_{x\to 0} \frac{\cos x - 1}{x \sin x}$ の極限値をロピタルの定理を用いて求め、その結果を $-\frac{1}{ア}$ の形で表すとき、ア に入る数字を...

極限ロピタルの定理三角関数微分
2025/6/13