## 問題の内容

解析学定積分ウォリスの公式三角関数
2025/6/23
## 問題の内容
以下の4つの定積分を計算する問題です。
(1) 0π/2sin7xdx\int_{0}^{\pi/2} \sin^7 x \, dx
(2) 0π/2cos8xdx\int_{0}^{\pi/2} \cos^8 x \, dx
(3) 0π/2(1+cos2x)2dx\int_{0}^{\pi/2} (1+\cos^2 x)^2 \, dx
(4) 0π/2(1+2sinx)4dx\int_{0}^{\pi/2} (1+2\sin x)^4 \, dx
## 解き方の手順
### (1) 0π/2sin7xdx\int_{0}^{\pi/2} \sin^7 x \, dx
ウォリスの公式を利用します。ウォリスの公式は以下の通りです。
In=0π/2sinnxdx=0π/2cosnxdxI_n = \int_{0}^{\pi/2} \sin^n x \, dx = \int_{0}^{\pi/2} \cos^n x \, dx
In=n1nIn2I_n = \frac{n-1}{n}I_{n-2}
I0=0π/21dx=π2I_0 = \int_{0}^{\pi/2} 1 \, dx = \frac{\pi}{2}
I1=0π/2sinxdx=1I_1 = \int_{0}^{\pi/2} \sin x \, dx = 1
よって、
I7=67I5=6745I3=674523I1=6745231=1635I_7 = \frac{6}{7}I_5 = \frac{6}{7}\frac{4}{5}I_3 = \frac{6}{7}\frac{4}{5}\frac{2}{3}I_1 = \frac{6}{7}\frac{4}{5}\frac{2}{3} \cdot 1 = \frac{16}{35}
### (2) 0π/2cos8xdx\int_{0}^{\pi/2} \cos^8 x \, dx
同様にウォリスの公式を利用します。
I8=78I6=7856I4=785634I2=78563412I0=78563412π2=35π256I_8 = \frac{7}{8}I_6 = \frac{7}{8}\frac{5}{6}I_4 = \frac{7}{8}\frac{5}{6}\frac{3}{4}I_2 = \frac{7}{8}\frac{5}{6}\frac{3}{4}\frac{1}{2}I_0 = \frac{7}{8}\frac{5}{6}\frac{3}{4}\frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{35\pi}{256}
### (3) 0π/2(1+cos2x)2dx\int_{0}^{\pi/2} (1+\cos^2 x)^2 \, dx
(1+cos2x)2=1+2cos2x+cos4x(1+\cos^2 x)^2 = 1+2\cos^2 x + \cos^4 x なので、
0π/2(1+cos2x)2dx=0π/2(1+2cos2x+cos4x)dx=0π/21dx+20π/2cos2xdx+0π/2cos4xdx\int_{0}^{\pi/2} (1+\cos^2 x)^2 \, dx = \int_{0}^{\pi/2} (1+2\cos^2 x + \cos^4 x) \, dx = \int_{0}^{\pi/2} 1 \, dx + 2\int_{0}^{\pi/2} \cos^2 x \, dx + \int_{0}^{\pi/2} \cos^4 x \, dx
0π/21dx=π2\int_{0}^{\pi/2} 1 \, dx = \frac{\pi}{2}
0π/2cos2xdx=12π2=π4\int_{0}^{\pi/2} \cos^2 x \, dx = \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{4}
0π/2cos4xdx=340π/2cos2xdx=34π4=3π16\int_{0}^{\pi/2} \cos^4 x \, dx = \frac{3}{4} \int_{0}^{\pi/2} \cos^2 x \, dx = \frac{3}{4} \cdot \frac{\pi}{4} = \frac{3\pi}{16}
よって、
0π/2(1+cos2x)2dx=π2+2π4+3π16=8π16+8π16+3π16=19π16\int_{0}^{\pi/2} (1+\cos^2 x)^2 \, dx = \frac{\pi}{2} + 2\cdot \frac{\pi}{4} + \frac{3\pi}{16} = \frac{8\pi}{16} + \frac{8\pi}{16} + \frac{3\pi}{16} = \frac{19\pi}{16}
### (4) 0π/2(1+2sinx)4dx\int_{0}^{\pi/2} (1+2\sin x)^4 \, dx
(1+2sinx)4=1+8sinx+24sin2x+32sin3x+16sin4x(1+2\sin x)^4 = 1 + 8\sin x + 24\sin^2 x + 32\sin^3 x + 16\sin^4 x
0π/21dx=π2\int_{0}^{\pi/2} 1 \, dx = \frac{\pi}{2}
0π/2sinxdx=1\int_{0}^{\pi/2} \sin x \, dx = 1
0π/2sin2xdx=12π2=π4\int_{0}^{\pi/2} \sin^2 x \, dx = \frac{1}{2}\cdot \frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{4}
0π/2sin3xdx=23\int_{0}^{\pi/2} \sin^3 x \, dx = \frac{2}{3}
0π/2sin4xdx=340π/2sin2xdx=34π4=3π16\int_{0}^{\pi/2} \sin^4 x \, dx = \frac{3}{4} \int_{0}^{\pi/2} \sin^2 x \, dx = \frac{3}{4} \cdot \frac{\pi}{4} = \frac{3\pi}{16}
よって、
0π/2(1+2sinx)4dx=0π/2(1+8sinx+24sin2x+32sin3x+16sin4x)dx=π2+8+24π4+3223+163π16=π2+8+6π+643+3π=19π2+24+643=19π2+883=57π+1766\int_{0}^{\pi/2} (1+2\sin x)^4 \, dx = \int_{0}^{\pi/2} (1 + 8\sin x + 24\sin^2 x + 32\sin^3 x + 16\sin^4 x) \, dx = \frac{\pi}{2} + 8 + 24\cdot \frac{\pi}{4} + 32\cdot \frac{2}{3} + 16\cdot \frac{3\pi}{16} = \frac{\pi}{2} + 8 + 6\pi + \frac{64}{3} + 3\pi = \frac{19\pi}{2} + \frac{24+64}{3} = \frac{19\pi}{2} + \frac{88}{3} = \frac{57\pi+176}{6}
## 最終的な答え
(1) 1635\frac{16}{35}
(2) 35π256\frac{35\pi}{256}
(3) 19π16\frac{19\pi}{16}
(4) 57π+1766\frac{57\pi+176}{6}

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