定積分の問題

定積分

■問題

次の定積分を解きなさい.

0 2 x 2 4 x 2 d x

■解説動画

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■答

π 2

■ヒント

x = 2 sin θ とおいて考える(置換積分).

sin cos の2乗がでてくるときは,2倍角の公式を使って次数を下げた式にして計算すると解きやすい.

■解説

x = 2 sin θ とおく.

両辺を θ で微分すると

d x d θ = 2 cos θ

d x = 2 cos θ d θ

x = 2 sin θ より

x = 0 のとき, θ = 0

x = 2 のとき, 2 = 2 sin θ sin θ = 2 2 θ = π 4

積分範囲は,

x : 0 2

θ : 0 π 4

よって, x = 2 sin θ d x = 2 cos θ d θ を代入して

0 2 x 2 4 x 2 d x

= 0 π 4 ( 2 sin θ ) 2 4 ( 2 sin θ ) 2 2 cos θ d θ

= 0 π 4 4 sin 2 θ 4 4 sin 2 θ 2 cos θ d θ

= 0 π 4 4 sin 2 θ 4 ( 1 sin 2 θ ) 2 cos θ d θ

= 0 π 4 4 sin 2 θ 4 cos 2 θ 2 cos θ d θ

積分範囲 0 θ π 4 では cos θ 0 である.

よって, 4 cos 2 θ = 2 cos θ (ルートを外すときは符号に注意)

= 0 π 4 4 sin 2 θ 2 cos θ 2 cos θ d θ

= 0 π 4 16 sin 2 θ cos 2 θ d θ

2倍角の公式 sin 2 θ = 2 sin θ cos θ )より,(次数を下げるため)

= 0 π 4 4 ( 2 sin θ cos θ ) 2 d θ

= 0 π 4 4 ( sin 2 θ ) 2 d θ

= 0 π 4 4 sin 2 2 θ d θ

2倍角の公式 cos 2 θ = 1 sin 2 θ sin 2 θ = 1 cos 2 θ 2 )より,

= 0 π 4 4 ( 1 cos 4 θ 2 ) d θ

= 0 π 4 2 ( 1 cos 4 θ ) d θ

= 0 π 4 ( 2 2 cos 4 θ ) d θ

= [ 2 θ 1 2 sin 4 θ ] 0 π 4

= 2 π 4 1 2 sin 4 π 4 ( 2 0 1 2 sin 4 0 )

= π 2 0 ( 0 0 )

= π 2

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最終更新日: 2025年10月29日