次の定積分を求めよ。 (1) $\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}} \sin 2x \cos x dx$ (2) $\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \cos 4x \sin x dx$ (3) $\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \cos 2x \cos 3x dx$ (4) $\int_{\frac{\pi}{4}}^{\pi} \sin 4x \sin 2x dx$

解析学定積分三角関数積分
2025/6/24

1. 問題の内容

次の定積分を求めよ。
(1) π6π2sin2xcosxdx\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}} \sin 2x \cos x dx
(2) π4π3cos4xsinxdx\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \cos 4x \sin x dx
(3) π6π3cos2xcos3xdx\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \cos 2x \cos 3x dx
(4) π4πsin4xsin2xdx\int_{\frac{\pi}{4}}^{\pi} \sin 4x \sin 2x dx

2. 解き方の手順

(1) sin2xcosx=2sinxcosxcosx=2sinxcos2x\sin 2x \cos x = 2 \sin x \cos x \cos x = 2 \sin x \cos^2 x
π6π22sinxcos2xdx\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}} 2 \sin x \cos^2 x dx
t=cosxt = \cos x とすると dt=sinxdxdt = - \sin x dx
x=π6x = \frac{\pi}{6} のとき t=cosπ6=32t = \cos \frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt{3}}{2}
x=π2x = \frac{\pi}{2} のとき t=cosπ2=0t = \cos \frac{\pi}{2} = 0
π6π22sinxcos2xdx=3202t2(dt)=2320t2dt=2032t2dt=2[13t3]032=23(32)3=23338=34\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}} 2 \sin x \cos^2 x dx = \int_{\frac{\sqrt{3}}{2}}^{0} 2 t^2 (-dt) = -2 \int_{\frac{\sqrt{3}}{2}}^{0} t^2 dt = 2 \int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}} t^2 dt = 2 \left[ \frac{1}{3} t^3 \right]_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}} = \frac{2}{3} \left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right)^3 = \frac{2}{3} \frac{3\sqrt{3}}{8} = \frac{\sqrt{3}}{4}
(2) cos4xsinx=12(sin(x+4x)sin(4xx))=12(sin5xsin3x)\cos 4x \sin x = \frac{1}{2} \left( \sin (x+4x) - \sin (4x-x) \right) = \frac{1}{2} \left( \sin 5x - \sin 3x \right)
π4π3cos4xsinxdx=π4π312(sin5xsin3x)dx=12[15cos5x+13cos3x]π4π3=12[15cos5π3+13cosπ(15cos5π4+13cos3π4)]=12[151213(15(22)+13(22))]=12[11013210+26]=12[1330+523230]=12(1330+2230)=13+2260\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \cos 4x \sin x dx = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{2} \left( \sin 5x - \sin 3x \right) dx = \frac{1}{2} \left[ - \frac{1}{5} \cos 5x + \frac{1}{3} \cos 3x \right]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{3}} = \frac{1}{2} \left[ - \frac{1}{5} \cos \frac{5\pi}{3} + \frac{1}{3} \cos \pi - \left( - \frac{1}{5} \cos \frac{5\pi}{4} + \frac{1}{3} \cos \frac{3\pi}{4} \right) \right] = \frac{1}{2} \left[ - \frac{1}{5} \cdot \frac{1}{2} - \frac{1}{3} - \left( - \frac{1}{5} \cdot \left( - \frac{\sqrt{2}}{2} \right) + \frac{1}{3} \cdot \left( - \frac{\sqrt{2}}{2} \right) \right) \right] = \frac{1}{2} \left[ - \frac{1}{10} - \frac{1}{3} - \frac{\sqrt{2}}{10} + \frac{\sqrt{2}}{6} \right] = \frac{1}{2} \left[ - \frac{13}{30} + \frac{5\sqrt{2}-3\sqrt{2}}{30} \right] = \frac{1}{2} \left( - \frac{13}{30} + \frac{2\sqrt{2}}{30} \right) = \frac{-13+2\sqrt{2}}{60}
(3) cos2xcos3x=12(cos(2x+3x)+cos(3x2x))=12(cos5x+cosx)\cos 2x \cos 3x = \frac{1}{2} \left( \cos (2x+3x) + \cos (3x-2x) \right) = \frac{1}{2} \left( \cos 5x + \cos x \right)
π6π3cos2xcos3xdx=π6π312(cos5x+cosx)dx=12[15sin5x+sinx]π6π3=12[15sin5π3+sinπ3(15sin5π6+sinπ6)]=12[15(32)+32151212]=12[310+3211012]=12[3+53101+510]=12(4310610)=23310\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \cos 2x \cos 3x dx = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{2} \left( \cos 5x + \cos x \right) dx = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{5} \sin 5x + \sin x \right]_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{5} \sin \frac{5\pi}{3} + \sin \frac{\pi}{3} - \left( \frac{1}{5} \sin \frac{5\pi}{6} + \sin \frac{\pi}{6} \right) \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{5} \left( - \frac{\sqrt{3}}{2} \right) + \frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{5} \cdot \frac{1}{2} - \frac{1}{2} \right] = \frac{1}{2} \left[ - \frac{\sqrt{3}}{10} + \frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{10} - \frac{1}{2} \right] = \frac{1}{2} \left[ \frac{- \sqrt{3} + 5 \sqrt{3}}{10} - \frac{1+5}{10} \right] = \frac{1}{2} \left( \frac{4\sqrt{3}}{10} - \frac{6}{10} \right) = \frac{2\sqrt{3} - 3}{10}
(4) sin4xsin2x=12(cos(4x2x)cos(4x+2x))=12(cos2xcos6x)\sin 4x \sin 2x = \frac{1}{2} \left( \cos (4x-2x) - \cos (4x+2x) \right) = \frac{1}{2} \left( \cos 2x - \cos 6x \right)
π4πsin4xsin2xdx=π4π12(cos2xcos6x)dx=12[12sin2x16sin6x]π4π=12[12sin2π16sin6π(12sinπ216sin3π2)]=12[0012+16(1)(1)]=12(12+16)=12(3+16)=1226=16\int_{\frac{\pi}{4}}^{\pi} \sin 4x \sin 2x dx = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\pi} \frac{1}{2} \left( \cos 2x - \cos 6x \right) dx = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} \sin 2x - \frac{1}{6} \sin 6x \right]_{\frac{\pi}{4}}^{\pi} = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} \sin 2\pi - \frac{1}{6} \sin 6\pi - \left( \frac{1}{2} \sin \frac{\pi}{2} - \frac{1}{6} \sin \frac{3\pi}{2} \right) \right] = \frac{1}{2} \left[ 0 - 0 - \frac{1}{2} + \frac{1}{6} (-1) (-1) \right] = \frac{1}{2} \left( - \frac{1}{2} + \frac{1}{6} \right) = \frac{1}{2} \left( \frac{-3+1}{6} \right) = \frac{1}{2} \cdot \frac{-2}{6} = - \frac{1}{6}

3. 最終的な答え

(1) 34\frac{\sqrt{3}}{4}
(2) 13+2260\frac{-13+2\sqrt{2}}{60}
(3) 23310\frac{2\sqrt{3} - 3}{10}
(4) 16-\frac{1}{6}

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