次の不定積分を求めます。 (1) $\int \cos^4 x dx$ (2) $\int \sin 2x \cdot \cos 2x \cdot \cos 4x dx$ (3) $\int \cos^3 x dx$ (4) $\int \frac{dx}{\sin x}$ (5) $\int \cos x \cos 3x dx$ (6) $\int \frac{dx}{1 + \sin x}$ (7) $\int x \cos^2 x dx$

解析学積分三角関数不定積分
2025/6/12

1. 問題の内容

次の不定積分を求めます。
(1) cos4xdx\int \cos^4 x dx
(2) sin2xcos2xcos4xdx\int \sin 2x \cdot \cos 2x \cdot \cos 4x dx
(3) cos3xdx\int \cos^3 x dx
(4) dxsinx\int \frac{dx}{\sin x}
(5) cosxcos3xdx\int \cos x \cos 3x dx
(6) dx1+sinx\int \frac{dx}{1 + \sin x}
(7) xcos2xdx\int x \cos^2 x dx

2. 解き方の手順

(1) cos4xdx\int \cos^4 x dx
cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2} を用いる。
cos4x=(cos2x)2=(1+cos2x2)2=14(1+2cos2x+cos22x)\cos^4 x = (\cos^2 x)^2 = (\frac{1 + \cos 2x}{2})^2 = \frac{1}{4}(1 + 2\cos 2x + \cos^2 2x)
cos22x=1+cos4x2\cos^2 2x = \frac{1 + \cos 4x}{2}
cos4x=14(1+2cos2x+1+cos4x2)=14(1+2cos2x+12+12cos4x)=14(32+2cos2x+12cos4x)=38+12cos2x+18cos4x\cos^4 x = \frac{1}{4}(1 + 2\cos 2x + \frac{1 + \cos 4x}{2}) = \frac{1}{4}(1 + 2\cos 2x + \frac{1}{2} + \frac{1}{2}\cos 4x) = \frac{1}{4}(\frac{3}{2} + 2\cos 2x + \frac{1}{2}\cos 4x) = \frac{3}{8} + \frac{1}{2}\cos 2x + \frac{1}{8}\cos 4x
cos4xdx=(38+12cos2x+18cos4x)dx=38x+14sin2x+132sin4x+C\int \cos^4 x dx = \int (\frac{3}{8} + \frac{1}{2}\cos 2x + \frac{1}{8}\cos 4x) dx = \frac{3}{8}x + \frac{1}{4}\sin 2x + \frac{1}{32}\sin 4x + C
(2) sin2xcos2xcos4xdx\int \sin 2x \cdot \cos 2x \cdot \cos 4x dx
sin2xcos2x=12sin4x\sin 2x \cos 2x = \frac{1}{2}\sin 4x
12sin4xcos4xdx=14sin8xdx=132cos8x+C\int \frac{1}{2}\sin 4x \cos 4x dx = \int \frac{1}{4}\sin 8x dx = -\frac{1}{32}\cos 8x + C
(3) cos3xdx\int \cos^3 x dx
cos3x=cos2xcosx=(1sin2x)cosx\cos^3 x = \cos^2 x \cos x = (1 - \sin^2 x)\cos x
(1sin2x)cosxdx\int (1 - \sin^2 x)\cos x dx
u=sinxu = \sin x, du=cosxdxdu = \cos x dx
(1u2)du=uu33+C=sinxsin3x3+C\int (1 - u^2)du = u - \frac{u^3}{3} + C = \sin x - \frac{\sin^3 x}{3} + C
(4) dxsinx\int \frac{dx}{\sin x}
dxsinx=sinxdxsin2x=sinxdx1cos2x\int \frac{dx}{\sin x} = \int \frac{\sin x dx}{\sin^2 x} = \int \frac{\sin x dx}{1 - \cos^2 x}
u=cosxu = \cos x, du=sinxdxdu = -\sin x dx
du1u2=duu21=12(1u11u+1)du=12(lnu1lnu+1)+C=12lnu1u+1+C=12lncosx1cosx+1+C\int \frac{-du}{1 - u^2} = \int \frac{du}{u^2 - 1} = \int \frac{1}{2}(\frac{1}{u-1} - \frac{1}{u+1})du = \frac{1}{2}(\ln|u-1| - \ln|u+1|) + C = \frac{1}{2}\ln|\frac{u-1}{u+1}| + C = \frac{1}{2}\ln|\frac{\cos x - 1}{\cos x + 1}| + C
cosx1cosx+1=(cosx1)2cos2x1=(cosx1)2sin2x=(cosx1)2sin2x=(cosx1sinx)2=(2sin2x22sinx2cosx2)2=(tanx2)2\frac{\cos x - 1}{\cos x + 1} = \frac{(\cos x - 1)^2}{\cos^2 x - 1} = \frac{(\cos x - 1)^2}{-\sin^2 x} = \frac{(\cos x - 1)^2}{-\sin^2 x} = -(\frac{\cos x - 1}{\sin x})^2 = -(\frac{2\sin^2 \frac{x}{2}}{2\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2}})^2 = -(\tan \frac{x}{2})^2
dxsinx=12lntan2x2+C=lntanx2+C\int \frac{dx}{\sin x} = \frac{1}{2}\ln|\tan^2 \frac{x}{2}| + C = \ln|\tan \frac{x}{2}| + C
(5) cosxcos3xdx\int \cos x \cos 3x dx
cosxcos3x=12(cos(3x+x)+cos(3xx))=12(cos4x+cos2x)\cos x \cos 3x = \frac{1}{2}(\cos(3x+x) + \cos(3x-x)) = \frac{1}{2}(\cos 4x + \cos 2x)
12(cos4x+cos2x)dx=18sin4x+14sin2x+C\int \frac{1}{2}(\cos 4x + \cos 2x) dx = \frac{1}{8}\sin 4x + \frac{1}{4}\sin 2x + C
(6) dx1+sinx\int \frac{dx}{1 + \sin x}
1sinx(1+sinx)(1sinx)dx=1sinx1sin2xdx=1sinxcos2xdx=(1cos2xsinxcos2x)dx=(sec2xsecxtanx)dx=tanxsecx+C\int \frac{1 - \sin x}{(1 + \sin x)(1 - \sin x)} dx = \int \frac{1 - \sin x}{1 - \sin^2 x} dx = \int \frac{1 - \sin x}{\cos^2 x} dx = \int (\frac{1}{\cos^2 x} - \frac{\sin x}{\cos^2 x}) dx = \int (\sec^2 x - \sec x \tan x) dx = \tan x - \sec x + C
(7) xcos2xdx\int x \cos^2 x dx
cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}
x1+cos2x2dx=12(x+xcos2x)dx=12xdx+12xcos2xdx\int x \frac{1 + \cos 2x}{2} dx = \frac{1}{2} \int (x + x\cos 2x) dx = \frac{1}{2} \int x dx + \frac{1}{2} \int x\cos 2x dx
12xdx=14x2\frac{1}{2} \int x dx = \frac{1}{4}x^2
xcos2xdx=xsin2x2sin2x2dx=xsin2x2+cos2x4\int x \cos 2x dx = x \frac{\sin 2x}{2} - \int \frac{\sin 2x}{2} dx = \frac{x\sin 2x}{2} + \frac{\cos 2x}{4}
xcos2xdx=14x2+12(xsin2x2+cos2x4)+C=x24+xsin2x4+cos2x8+C\int x \cos^2 x dx = \frac{1}{4}x^2 + \frac{1}{2}(\frac{x\sin 2x}{2} + \frac{\cos 2x}{4}) + C = \frac{x^2}{4} + \frac{x\sin 2x}{4} + \frac{\cos 2x}{8} + C

3. 最終的な答え

(1) 38x+14sin2x+132sin4x+C\frac{3}{8}x + \frac{1}{4}\sin 2x + \frac{1}{32}\sin 4x + C
(2) 132cos8x+C-\frac{1}{32}\cos 8x + C
(3) sinxsin3x3+C\sin x - \frac{\sin^3 x}{3} + C
(4) lntanx2+C\ln|\tan \frac{x}{2}| + C
(5) 18sin4x+14sin2x+C\frac{1}{8}\sin 4x + \frac{1}{4}\sin 2x + C
(6) tanxsecx+C\tan x - \sec x + C
(7) x24+xsin2x4+cos2x8+C\frac{x^2}{4} + \frac{x\sin 2x}{4} + \frac{\cos 2x}{8} + C

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