(5) $\int_{0}^{\frac{3\pi}{2}} \cos^{7}x \, dx$ (6) $\int_{\pi}^{2\pi} \sin^{8}x \, dx$ (7) $\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 2\cos 2x \cos x \, dx$ (8) $\int_{0}^{1} x^{2} \sin^{-1}x \, dx$

解析学積分定積分三角関数部分積分
2025/6/19
はい、承知しました。画像にある4つの積分問題を解きます。

1. 問題の内容

(5) 03π2cos7xdx\int_{0}^{\frac{3\pi}{2}} \cos^{7}x \, dx
(6) π2πsin8xdx\int_{\pi}^{2\pi} \sin^{8}x \, dx
(7) 0π22cos2xcosxdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 2\cos 2x \cos x \, dx
(8) 01x2sin1xdx\int_{0}^{1} x^{2} \sin^{-1}x \, dx

2. 解き方の手順

(5) 03π2cos7xdx\int_{0}^{\frac{3\pi}{2}} \cos^{7}x \, dx
cos7x\cos^{7}xは奇関数なので、cos7x=cos6xcosx=(cos2x)3cosx=(1sin2x)3cosx\cos^{7}x = \cos^{6}x \cdot \cos x = (\cos^{2}x)^{3} \cdot \cos x = (1-\sin^{2}x)^{3} \cos xと変形する。
u=sinxu = \sin xと置くと、du=cosxdxdu = \cos x dxとなる。積分範囲はx=0x=0のときu=sin0=0u = \sin 0 = 0x=3π2x = \frac{3\pi}{2}のときu=sin3π2=1u = \sin \frac{3\pi}{2} = -1となる。
03π2cos7xdx=01(1u2)3du=01(13u2+3u4u6)du\int_{0}^{\frac{3\pi}{2}} \cos^{7}x \, dx = \int_{0}^{-1} (1-u^{2})^{3} \, du = \int_{0}^{-1} (1 - 3u^{2} + 3u^{4} - u^{6}) \, du
=[uu3+35u517u7]01=(1(1)+35(1)17(1))(0)=1+135+17=2135+535=1635= [u - u^{3} + \frac{3}{5}u^{5} - \frac{1}{7}u^{7}]_{0}^{-1} = (-1 - (-1) + \frac{3}{5}(-1) - \frac{1}{7}(-1)) - (0) = -1 + 1 - \frac{3}{5} + \frac{1}{7} = -\frac{21}{35} + \frac{5}{35} = -\frac{16}{35}.
(6) π2πsin8xdx\int_{\pi}^{2\pi} \sin^{8}x \, dx
sin(x+π)=sinx\sin(x + \pi) = -\sin xより、sin8(x+π)=sin8x\sin^{8}(x + \pi) = \sin^{8}xである。
I=π2πsin8xdx=0πsin8(x+π)dx=0πsin8xdxI = \int_{\pi}^{2\pi} \sin^{8}x \, dx = \int_{0}^{\pi} \sin^{8}(x + \pi) \, dx = \int_{0}^{\pi} \sin^{8}x \, dx.
sin(πx)=sinx\sin(\pi - x) = \sin xより、sin8(πx)=sin8x\sin^{8}(\pi - x) = \sin^{8}x
I=0πsin8xdx=0π2sin8xdx+π2πsin8xdx=0π2sin8xdx+0π2sin8(πx)dx=20π2sin8xdxI = \int_{0}^{\pi} \sin^{8}x \, dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{8}x \, dx + \int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi} \sin^{8}x \, dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{8}x \, dx + \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{8}(\pi-x) \, dx = 2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{8}x \, dx.
0π2sinnxdx=n1nn3n2...12π2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{n}x \, dx = \frac{n-1}{n} \frac{n-3}{n-2} ... \frac{1}{2} \frac{\pi}{2} (if n is even)
0π2sin8xdx=78563412π2=35π256\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{8}x \, dx = \frac{7}{8} \frac{5}{6} \frac{3}{4} \frac{1}{2} \frac{\pi}{2} = \frac{35\pi}{256}.
Thus, I=20π2sin8xdx=2(35π256)=35π128I = 2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{8}x \, dx = 2(\frac{35\pi}{256}) = \frac{35\pi}{128}.
(7) 0π22cos2xcosxdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 2\cos 2x \cos x \, dx
2cos2xcosx=cos(2x+x)+cos(2xx)=cos3x+cosx2\cos 2x \cos x = \cos(2x+x) + \cos(2x-x) = \cos 3x + \cos x.
0π22cos2xcosxdx=0π2(cos3x+cosx)dx=[13sin3x+sinx]0π2=(13sin3π2+sinπ2)(0)=13(1)+1=113=23\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 2\cos 2x \cos x \, dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (\cos 3x + \cos x) \, dx = [\frac{1}{3}\sin 3x + \sin x]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = (\frac{1}{3}\sin \frac{3\pi}{2} + \sin \frac{\pi}{2}) - (0) = \frac{1}{3}(-1) + 1 = 1 - \frac{1}{3} = \frac{2}{3}.
(8) 01x2sin1xdx\int_{0}^{1} x^{2} \sin^{-1}x \, dx
部分積分を用いる。u=sin1xu = \sin^{-1}x, dv=x2dxdv = x^{2} dxとすると、du=11x2dxdu = \frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}} dx, v=x33v = \frac{x^{3}}{3}
01x2sin1xdx=[x33sin1x]0101x3311x2dx=13sin1(1)01301x31x2dx=13π21301x31x2dx\int_{0}^{1} x^{2} \sin^{-1}x \, dx = [\frac{x^{3}}{3} \sin^{-1}x]_{0}^{1} - \int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{3} \frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}} \, dx = \frac{1}{3} \sin^{-1}(1) - 0 - \frac{1}{3} \int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{\sqrt{1-x^{2}}} \, dx = \frac{1}{3} \frac{\pi}{2} - \frac{1}{3} \int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{\sqrt{1-x^{2}}} \, dx.
t=1x2t = 1-x^{2}と置くと、x2=1tx^{2} = 1 - t, dt=2xdxdt = -2x \, dxx=0x = 0のときt=1t = 1, x=1x = 1のときt=0t = 0
01x31x2dx=01x2x1x2dx=101tt(12)dt=12011ttdt=1201(t12t12)dt=12[2t1223t32]01=12(223)=12(43)=23\int_{0}^{1} \frac{x^{3}}{\sqrt{1-x^{2}}} \, dx = \int_{0}^{1} \frac{x^{2}x}{\sqrt{1-x^{2}}} \, dx = \int_{1}^{0} \frac{1-t}{\sqrt{t}} (-\frac{1}{2}) \, dt = \frac{1}{2} \int_{0}^{1} \frac{1-t}{\sqrt{t}} \, dt = \frac{1}{2} \int_{0}^{1} (t^{-\frac{1}{2}} - t^{\frac{1}{2}}) \, dt = \frac{1}{2} [2t^{\frac{1}{2}} - \frac{2}{3}t^{\frac{3}{2}}]_{0}^{1} = \frac{1}{2} (2 - \frac{2}{3}) = \frac{1}{2} (\frac{4}{3}) = \frac{2}{3}.
01x2sin1xdx=π613(23)=π629\int_{0}^{1} x^{2} \sin^{-1}x \, dx = \frac{\pi}{6} - \frac{1}{3} (\frac{2}{3}) = \frac{\pi}{6} - \frac{2}{9}.

3. 最終的な答え

(5) 1635-\frac{16}{35}
(6) 35π128\frac{35\pi}{128}
(7) 23\frac{2}{3}
(8) π629\frac{\pi}{6} - \frac{2}{9}

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