次の定積分の値を求める問題です。ここでは、(1) $\int_{0}^{3} \frac{x+1}{x^2+3} dx$, (2) $\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{\sin x \cos x} dx$, (3) $\int_{0}^{1} \frac{1}{e^x + e^{-x}} dx$, (4) $\int_{1}^{e} x \ln x dx$, (5) $I = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sin x}{\sin x + \cos x} dx$, $J = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos x}{\sin x + \cos x} dx$ について解きます。

解析学定積分置換積分部分積分三角関数対数関数指数関数arctan
2025/6/20

1. 問題の内容

次の定積分の値を求める問題です。ここでは、(1) 03x+1x2+3dx\int_{0}^{3} \frac{x+1}{x^2+3} dx, (2) π6π31sinxcosxdx\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{\sin x \cos x} dx, (3) 011ex+exdx\int_{0}^{1} \frac{1}{e^x + e^{-x}} dx, (4) 1exlnxdx\int_{1}^{e} x \ln x dx, (5) I=0π2sinxsinx+cosxdxI = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sin x}{\sin x + \cos x} dx, J=0π2cosxsinx+cosxdxJ = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos x}{\sin x + \cos x} dx について解きます。

2. 解き方の手順

(1) 03x+1x2+3dx\int_{0}^{3} \frac{x+1}{x^2+3} dx
x2+3=tx^2+3 = t と置換すると、2xdx=dt2x dx = dt, xdx=12dtx dx = \frac{1}{2} dt.
x=0x=0 のとき t=3t=3, x=3x=3 のとき t=12t=12.
03x+1x2+3dx=03xx2+3dx+031x2+3dx=123121tdt+031x2+(3)2dx\int_{0}^{3} \frac{x+1}{x^2+3} dx = \int_{0}^{3} \frac{x}{x^2+3} dx + \int_{0}^{3} \frac{1}{x^2+3} dx = \frac{1}{2}\int_{3}^{12} \frac{1}{t} dt + \int_{0}^{3} \frac{1}{x^2+(\sqrt{3})^2} dx.
12[lnt]312+13[arctanx3]03=12(ln12ln3)+13(arctan3arctan0)=12ln123+13(π30)=12ln4+π33=ln2+π33\frac{1}{2} \left[ \ln t \right]_{3}^{12} + \frac{1}{\sqrt{3}} \left[ \arctan \frac{x}{\sqrt{3}} \right]_{0}^{3} = \frac{1}{2}(\ln 12 - \ln 3) + \frac{1}{\sqrt{3}}(\arctan \sqrt{3} - \arctan 0) = \frac{1}{2} \ln \frac{12}{3} + \frac{1}{\sqrt{3}} (\frac{\pi}{3} - 0) = \frac{1}{2} \ln 4 + \frac{\pi}{3\sqrt{3}} = \ln 2 + \frac{\pi}{3\sqrt{3}}.
(2) π6π31sinxcosxdx\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{\sin x \cos x} dx
π6π31sinxcosxdx=π6π322sinxcosxdx=2π6π31sin2xdx=2π6π3csc2xdx\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{\sin x \cos x} dx = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{2}{2 \sin x \cos x} dx = 2 \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{\sin 2x} dx = 2 \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \csc 2x dx.
t=2xt = 2x とすると dt=2dxdt = 2 dx. x=π6x = \frac{\pi}{6} のとき t=π3t = \frac{\pi}{3}, x=π3x = \frac{\pi}{3} のとき t=2π3t = \frac{2\pi}{3}.
cscxdx=lncscx+cotx\int \csc x dx = -\ln |\csc x + \cot x| なので、
2π6π3csc2xdx=π32π3csctdt=[lncsct+cott]π32π3=lncsc2π3+cot2π3+lncscπ3+cotπ3=ln2313+ln23+13=ln13+ln33=ln3+ln3=2ln3=ln32 \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \csc 2x dx = \int_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{2\pi}{3}} \csc t dt = \left[ -\ln |\csc t + \cot t| \right]_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{2\pi}{3}} = -\ln |\csc \frac{2\pi}{3} + \cot \frac{2\pi}{3}| + \ln |\csc \frac{\pi}{3} + \cot \frac{\pi}{3}| = -\ln |\frac{2}{\sqrt{3}} - \frac{1}{\sqrt{3}}| + \ln |\frac{2}{\sqrt{3}} + \frac{1}{\sqrt{3}}| = -\ln \frac{1}{\sqrt{3}} + \ln \frac{3}{\sqrt{3}} = \ln \sqrt{3} + \ln \sqrt{3} = 2 \ln \sqrt{3} = \ln 3.
(3) 011ex+exdx=01exe2x+1dx\int_{0}^{1} \frac{1}{e^x + e^{-x}} dx = \int_{0}^{1} \frac{e^x}{e^{2x} + 1} dx
u=exu = e^x とすると、du=exdxdu = e^x dx. x=0x = 0 のとき u=1u = 1, x=1x = 1 のとき u=eu = e.
1e1u2+1du=[arctanu]1e=arctanearctan1=arctaneπ4\int_{1}^{e} \frac{1}{u^2+1} du = \left[ \arctan u \right]_{1}^{e} = \arctan e - \arctan 1 = \arctan e - \frac{\pi}{4}.
(4) 1exlnxdx\int_{1}^{e} x \ln x dx
部分積分を用いて、
xlnxdx=x22lnxx221xdx=x22lnx12xdx=x22lnxx24\int x \ln x dx = \frac{x^2}{2} \ln x - \int \frac{x^2}{2} \cdot \frac{1}{x} dx = \frac{x^2}{2} \ln x - \frac{1}{2} \int x dx = \frac{x^2}{2} \ln x - \frac{x^2}{4}.
1exlnxdx=[x22lnxx24]1e=(e22lnee24)(122ln1124)=e22e24+14=e24+14=e2+14\int_{1}^{e} x \ln x dx = \left[ \frac{x^2}{2} \ln x - \frac{x^2}{4} \right]_{1}^{e} = (\frac{e^2}{2} \ln e - \frac{e^2}{4}) - (\frac{1^2}{2} \ln 1 - \frac{1^2}{4}) = \frac{e^2}{2} - \frac{e^2}{4} + \frac{1}{4} = \frac{e^2}{4} + \frac{1}{4} = \frac{e^2+1}{4}.
(5) I=0π2sinxsinx+cosxdxI = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sin x}{\sin x + \cos x} dx, J=0π2cosxsinx+cosxdxJ = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos x}{\sin x + \cos x} dx
I+J=0π2sinx+cosxsinx+cosxdx=0π21dx=[x]0π2=π2I + J = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sin x + \cos x}{\sin x + \cos x} dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 1 dx = [x]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{\pi}{2}.
I=0π2sinxsinx+cosxdxI = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sin x}{\sin x + \cos x} dx において、x=π2tx = \frac{\pi}{2} - t と置換すると、dx=dtdx = -dt. x=0x=0 のとき t=π2t = \frac{\pi}{2}, x=π2x = \frac{\pi}{2} のとき t=0t = 0.
I=π20sin(π2t)sin(π2t)+cos(π2t)(dt)=0π2costcost+sintdt=JI = \int_{\frac{\pi}{2}}^{0} \frac{\sin(\frac{\pi}{2}-t)}{\sin(\frac{\pi}{2}-t) + \cos(\frac{\pi}{2}-t)} (-dt) = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos t}{\cos t + \sin t} dt = J.
したがって、I=JI = J である。
I+J=2I=π2I + J = 2I = \frac{\pi}{2} より、I=π4I = \frac{\pi}{4}。 よって、J=π4J = \frac{\pi}{4}

3. 最終的な答え

(1) ln2+π33\ln 2 + \frac{\pi}{3\sqrt{3}}
(2) ln3\ln 3
(3) arctaneπ4\arctan e - \frac{\pi}{4}
(4) e2+14\frac{e^2+1}{4}
(5) I=π4I = \frac{\pi}{4}, J=π4J = \frac{\pi}{4}

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