## 問題の解答

解析学定積分三角関数部分積分置換積分arcsinarctan
2025/6/19
## 問題の解答
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1. 問題の内容

以下の4つの定積分の値を計算します。
(1) ππcos(mx)cos(nx)dx\int_{-\pi}^{\pi} \cos(mx) \cos(nx) dx, (m, n は整数)
(2) 0Tsin(2mπTt)sin(2nπTt)dt\int_{0}^{T} \sin(\frac{2m\pi}{T}t) \sin(\frac{2n\pi}{T}t) dt, (m, n は整数)
(3) 012arcsin(x)dx\int_{0}^{\frac{1}{2}} \arcsin(x) dx
(4) 01arctan(x)1+x2dx\int_{0}^{1} \frac{\arctan(x)}{1+x^2} dx
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2. 解き方の手順

**(1) ππcos(mx)cos(nx)dx\int_{-\pi}^{\pi} \cos(mx) \cos(nx) dx**
三角関数の積を和に変換する公式 cos(A)cos(B)=12[cos(A+B)+cos(AB)]\cos(A)\cos(B) = \frac{1}{2}[\cos(A+B) + \cos(A-B)] を用います。
ππcos(mx)cos(nx)dx=12ππ[cos((m+n)x)+cos((mn)x)]dx\int_{-\pi}^{\pi} \cos(mx) \cos(nx) dx = \frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi} [\cos((m+n)x) + \cos((m-n)x)] dx
mnm \neq n のとき、
ππcos((m+n)x)dx=1m+n[sin((m+n)x)]ππ=0\int_{-\pi}^{\pi} \cos((m+n)x) dx = \frac{1}{m+n} [\sin((m+n)x)]_{-\pi}^{\pi} = 0
ππcos((mn)x)dx=1mn[sin((mn)x)]ππ=0\int_{-\pi}^{\pi} \cos((m-n)x) dx = \frac{1}{m-n} [\sin((m-n)x)]_{-\pi}^{\pi} = 0
したがって、 mnm \neq n のとき、 ππcos(mx)cos(nx)dx=0\int_{-\pi}^{\pi} \cos(mx) \cos(nx) dx = 0
m=nm = n のとき、
ππcos(mx)cos(nx)dx=12ππ[cos(2mx)+1]dx\int_{-\pi}^{\pi} \cos(mx) \cos(nx) dx = \frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi} [\cos(2mx) + 1] dx
=12[12msin(2mx)+x]ππ=12[(12msin(2mπ)+π)(12msin(2mπ)π)]=12[0+π0+π]=π= \frac{1}{2} [\frac{1}{2m}\sin(2mx) + x]_{-\pi}^{\pi} = \frac{1}{2} [(\frac{1}{2m}\sin(2m\pi) + \pi) - (\frac{1}{2m}\sin(-2m\pi) - \pi)] = \frac{1}{2} [0 + \pi - 0 + \pi] = \pi
**(2) 0Tsin(2mπTt)sin(2nπTt)dt\int_{0}^{T} \sin(\frac{2m\pi}{T}t) \sin(\frac{2n\pi}{T}t) dt**
三角関数の積を和に変換する公式 sin(A)sin(B)=12[cos(AB)cos(A+B)]\sin(A)\sin(B) = \frac{1}{2}[\cos(A-B) - \cos(A+B)] を用います。
0Tsin(2mπTt)sin(2nπTt)dt=120T[cos(2(mn)πTt)cos(2(m+n)πTt)]dt\int_{0}^{T} \sin(\frac{2m\pi}{T}t) \sin(\frac{2n\pi}{T}t) dt = \frac{1}{2} \int_{0}^{T} [\cos(\frac{2(m-n)\pi}{T}t) - \cos(\frac{2(m+n)\pi}{T}t)] dt
mnm \neq n のとき、
0Tcos(2(mn)πTt)dt=T2(mn)π[sin(2(mn)πTt)]0T=T2(mn)π[sin(2(mn)π)sin(0)]=0\int_{0}^{T} \cos(\frac{2(m-n)\pi}{T}t) dt = \frac{T}{2(m-n)\pi}[\sin(\frac{2(m-n)\pi}{T}t)]_{0}^{T} = \frac{T}{2(m-n)\pi}[\sin(2(m-n)\pi) - \sin(0)] = 0
0Tcos(2(m+n)πTt)dt=T2(m+n)π[sin(2(m+n)πTt)]0T=T2(m+n)π[sin(2(m+n)π)sin(0)]=0\int_{0}^{T} \cos(\frac{2(m+n)\pi}{T}t) dt = \frac{T}{2(m+n)\pi}[\sin(\frac{2(m+n)\pi}{T}t)]_{0}^{T} = \frac{T}{2(m+n)\pi}[\sin(2(m+n)\pi) - \sin(0)] = 0
したがって、 mnm \neq n のとき、 0Tsin(2mπTt)sin(2nπTt)dt=0\int_{0}^{T} \sin(\frac{2m\pi}{T}t) \sin(\frac{2n\pi}{T}t) dt = 0
m=nm = n のとき、
0Tsin(2mπTt)sin(2nπTt)dt=120T[1cos(4mπTt)]dt\int_{0}^{T} \sin(\frac{2m\pi}{T}t) \sin(\frac{2n\pi}{T}t) dt = \frac{1}{2} \int_{0}^{T} [1 - \cos(\frac{4m\pi}{T}t)] dt
=12[tT4mπsin(4mπTt)]0T=12[(TT4mπsin(4mπ))(0T4mπsin(0))]=12[T00+0]=T2= \frac{1}{2} [t - \frac{T}{4m\pi}\sin(\frac{4m\pi}{T}t)]_{0}^{T} = \frac{1}{2} [(T - \frac{T}{4m\pi}\sin(4m\pi)) - (0 - \frac{T}{4m\pi}\sin(0))] = \frac{1}{2} [T - 0 - 0 + 0] = \frac{T}{2}
**(3) 012arcsin(x)dx\int_{0}^{\frac{1}{2}} \arcsin(x) dx**
部分積分を行います。 u=arcsin(x)u = \arcsin(x), dv=dxdv = dx とすると、du=11x2dxdu = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx, v=xv = x
012arcsin(x)dx=[xarcsin(x)]012012x1x2dx\int_{0}^{\frac{1}{2}} \arcsin(x) dx = [x\arcsin(x)]_{0}^{\frac{1}{2}} - \int_{0}^{\frac{1}{2}} \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} dx
=[12arcsin(12)0arcsin(0)]012x1x2dx=12π6012x1x2dx=π12012x1x2dx= [\frac{1}{2}\arcsin(\frac{1}{2}) - 0\arcsin(0)] - \int_{0}^{\frac{1}{2}} \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} dx = \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{6} - \int_{0}^{\frac{1}{2}} \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} dx = \frac{\pi}{12} - \int_{0}^{\frac{1}{2}} \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} dx
ここで、w=1x2w = 1-x^2 と置換すると、dw=2xdxdw = -2x dx, xdx=12dwx dx = -\frac{1}{2} dw
x=0x=0 のとき w=1w=1, x=12x=\frac{1}{2} のとき w=114=34w=1-\frac{1}{4} = \frac{3}{4}
012x1x2dx=13412wdw=12134w12dw=12[2w12]134=[w12]134=[341]=(321)=132\int_{0}^{\frac{1}{2}} \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} dx = \int_{1}^{\frac{3}{4}} \frac{-\frac{1}{2}}{\sqrt{w}} dw = -\frac{1}{2} \int_{1}^{\frac{3}{4}} w^{-\frac{1}{2}} dw = -\frac{1}{2} [2w^{\frac{1}{2}}]_{1}^{\frac{3}{4}} = -[w^{\frac{1}{2}}]_{1}^{\frac{3}{4}} = -[\sqrt{\frac{3}{4}} - \sqrt{1}] = -( \frac{\sqrt{3}}{2} - 1) = 1 - \frac{\sqrt{3}}{2}
したがって、 012arcsin(x)dx=π12(132)=π121+32=π+631212\int_{0}^{\frac{1}{2}} \arcsin(x) dx = \frac{\pi}{12} - (1 - \frac{\sqrt{3}}{2}) = \frac{\pi}{12} - 1 + \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{\pi + 6\sqrt{3} - 12}{12}
**(4) 01arctan(x)1+x2dx\int_{0}^{1} \frac{\arctan(x)}{1+x^2} dx**
u=arctan(x)u = \arctan(x) と置換すると、du=11+x2dxdu = \frac{1}{1+x^2} dx
x=0x=0 のとき u=arctan(0)=0u=\arctan(0)=0, x=1x=1 のとき u=arctan(1)=π4u=\arctan(1)=\frac{\pi}{4}
01arctan(x)1+x2dx=0π4udu=[12u2]0π4=12(π4)20=12π216=π232\int_{0}^{1} \frac{\arctan(x)}{1+x^2} dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} u du = [\frac{1}{2}u^2]_{0}^{\frac{\pi}{4}} = \frac{1}{2} (\frac{\pi}{4})^2 - 0 = \frac{1}{2} \frac{\pi^2}{16} = \frac{\pi^2}{32}
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3. 最終的な答え

(1) mnm \neq n のとき 00, m=nm = n のとき π\pi
(2) mnm \neq n のとき 00, m=nm = n のとき T2\frac{T}{2}
(3) π+631212\frac{\pi + 6\sqrt{3} - 12}{12}
(4) π232\frac{\pi^2}{32}

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