定積分の問題

置換積分

■問題

次の計算をせよ(不定積分).

∫ 0 1 x 1 − x 2 3 d x

■解説動画

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■答

2 35


■ヒント

1 − x 2 = t とおき, t の式に変換する. (置換積分法)


■解説

∫ 0 1 x 1 − x 2 3 d x ・・・・・・(1)

1 − x 2 = t とおく.  ・・・・・・(2)

両辺を2乗して, 1 − x 2 = t 2

x 2 = 1 − t 2 ・・・・・・(3)

両辺を x で微分して,

2 x = − 2 t d t d x

よって, x d x = − t d t ・・・・・・(4)

x の積分範囲より,

x = 0 のとき, t = 1

x = 1 のとき, t = 0

であるから, t の積分範囲は, 1 → 0 ・・・・・・(5)

(1)の式を変形すると,

∫ 0 1 x 1 − x 2 3 d x

= ∫ 0 1 x 3 ⋅ 1 − x 2 3 d x

= ∫ 0 1 x 2 ⋅ 1 − x 2 3 ⋅ x d x

ここに(2),(3),(4),(5)を代入して,

∫ 1 0 ( 1 − t 2 ) ⋅ t 3 ⋅ ( − t d t )

= − ∫ 1 0 ( 1 − t 2 ) ⋅ t 4 d t

= ∫ 0 1 ( 1 − t 2 ) ⋅ t 4 d t

= ∫ 0 1 ( t 4 − t 6 ) d t

= [ 1 5 t 5 − 1 7 t 7 ] 0 1

= ( 1 5 ⋅ 1 5 − 1 7 ⋅ 1 7 ) − ( 1 5 ⋅ 0 5 − 1 7 ⋅ 0 7 )

= 1 5 − 1 7

= 2 35

●別解

x=sinθ とおく.ただし, − 1 2 π≦θ≦ 1 2 π .

dx dθ =cosθ → dx=cosθdθ

x:0→1 のとき, θ:0→ π 2

よって

与式 = ∫ 0 π 2 sinθ 1− sin 2 θ 3 cosθdθ

= ∫ 0 π 2 sinθ cos 2 θ 3 cosθdθ

− 1 2 π≦θ≦ 1 2 π のとき, cosθ≧0 .よって

= ∫ 0 π 2 sin 3 θ cos 4 θdθ

= ∫ 0 π 2 1− cos 2 θ sinθ cos 4 θdθ

= ∫ 0 π 2 cos 4 θ− cos 6 θ sinθdθ

cosθ=t とおく.

dt dθ =−sinθ → cosθdθ=−dt

θ:0→ π 2 のとき, t:1→0

よって

= ∫ 1 0 t 4 − t 6 −1 dt

= ∫ 0 1 t 4 − t 6 dt

= 1 5 t 5 − 1 7 t 7 0 1

= 1 5 ⋅ 1 5 − 1 7 ⋅ 1 7 − 1 5 ⋅ 0 5 − 1 7 ⋅ 0 7

= 1 5 − 1 7

= 2 35

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最終更新日:2025年9月8日