• 検索結果がありません。

微積分I 演習 ( 第 8 回演習問題の解答 )

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "微積分I 演習 ( 第 8 回演習問題の解答 )"

Copied!
2
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

微積分I 演習 ( 第 8 回演習問題の解答 )

問題8-1 収束値を求めよ。

(1) 1 1 2·2+ 1

3·22 1

4·23 +· · · (2) 1 1 3!+ 1

5!− · · · (3) 1 + 1

2!+ 1 4!+· · ·

(解)(1) log(1 +x) =x−x2 2 +x3

3 −x4

4 +· · · であるから、log(1 +x)

x = 1−x 2 +x2

3 −x3 4 +· · · これにx= 1

2 を代入することで、1 1 2·2 + 1

3·4 1

4·8 +· · ·= 2 log (

1 +1 2

)

= 2 log3

2 となる。

(2) sinxを級数展開すると、sinx=x− 1 3!x3+ 1

5!x5+· · · であるから、x= 1を代入して 1 1

3!+ 1

5!+· · ·=

n=0

(1)n

(2n+ 1)! = sin(1)となる。

(3) cosh(x)を級数展開すると、cosh(x) = ex+ex

2 =

n=0 xn n! +∑

n=0 (x)n

n!

2 =

n=0

1

(2n)!x2n この級数展開に x= 1を代入することで、1 + 1

2!+ 1

4!+· · ·=

n=0

1

(2n)! = e+e1

2 となる。

■ 問題8-2 次の不定積分を計算せよ。

(1)

xsin(x2)dx (2)

(x2+ 1)2dx (3)

1

1

(|x| −x)2dx

(解)以下積分定数は略す。

(1)t=x2と置くと、dt= 2xdxとなり、

xsin(x2)dx=

∫ 1

2sintdt= 1

2(cost) =−1

2cos(x2)となる。

(2)

(x4+ 2x2+ 1)dx= x5 5 +2x3

3 +x

(3)x|x|は奇関数であり、x2は偶関数であるから、

1

1

(|x| −x)2dx=

1

1

(x22x|x|+x2)dx

= 4

1 0

x2dx= 4 [1

3x3 ]1

0

= 4

3 となる。

■ 問題8-3 次の関数の定積分を求めよ。

(1)

3 2

x2cosxdx (2)

3

2

ex1

x2 dx (3)

3

2 1 2

x

1−x2dx (4)

2 1

logx x dx

(解)

(1) (x2sinx) = 2xsinx+x2cosx, (xcosx)= cosx−xsinx= (sinx)−xsinxより(x2sinx+2xcosx−2 sinx)= x2cosx。ゆえに、

3 2

x2cosxdx=[

x2sinx+ 2xcosx−2 sinx]3

2= 9 sin 3 + 6 cos 32 sin 3(4 sin 2 + 4 cos 2 2 sin 2) = 7 sin 3 + 6 cos 32 sin 24 cos 2となる。

(2) t = ex1 とおくと、dt

dx = ex1(1

x) = e1x

x2 より、

3

2

e1x x2 dx =

3

2

dt dxdx =

e

1 3

e

1 2

dt = [t]e

1 3

e

1 2

=

1

(2)

e13 −e12 となる。

(3) t= 1−x2とおくと、dt

dx =2xである。ゆえに

3

2 1 2

x

1−x2dx =1 2

3

2 1 2

1 t

dt

dxdx =1 2

1

4 3 4

1 tdt=

1 2 [

2 t

]14

3 4

=1 2(1−√

3) =

31

2 となる。

(4)t= logxとおくと、dt dx = 1

xより、

2 1

logx x dx=

2 1

tdt dxdx=

log 2 0

tdt= [t2

2 ]log 2

0

= (log 2)2

2 となる。

■ 問題8-4 次の関数の(不)定積分を求めよ。

(1)

π

4 0

exsinxdx (Hint:問題4-1-(2)) (2)

dx

sinx (3)

π

2 0

1 + cosθ dθ (4)

1 0

x3dx x+ 1

(解)以下、不定積分の積分定数は略す。

(1) (exsinx) = 2exsin

( x+π

4 )

であるから、xx−π

4に置き換えることで (

exπ4 sin (

x−π 4

))

=

2exπ4 sinx となる。両辺に eπ4

2を掛けることで、exsinx= ( 1

2exsin (

x−π 4

))

となる。ゆえに、

π4

0

exsinxdx= 1

2 [

exsin (

x−π 4

)]π4

0

= 1

2e0sin (−π

4 )

=1

2 となる。

(2) t = cosxとおくと、dt

dx =sinxより、

dx sinx =

∫ sinxdx sin2x =

dt 1−t2 = 1

2

∫ ( 1 1−t 1

1 +t )

dt= 1

2log (1−t

1 +t )

= 1 2log

(1cosx 1 + cosx

)

=1 2log

(sin2x2

cos2x2 )

= log sinx2

cosx2

となる。

(3)θ= 2φとおくと0≤θ≤ π

2 のとき、√

1 + cos 2φ=√

1 + (2 cos2φ−1) =

2 cosφであることと、 = 1

2 であることから、

π2

0

1 + cosθdθ=

π2

0

2 cosφ·2

·dθ= 2 2

π4

0

cosφdφ= 2

2 [sinφ]0π4 = 2 2 1

2 = 2 となる。

(4)

1 0

x3dx x+ 1 =

1 0

x3+ 11 x+ 1 dx=

1 0

(

x2−x+ 1 1 x+ 1

) dx=

[x3 3 −x2

2 +x−log(x+ 1) ]1

0

= 1 31

2+ 1log 2 = 5 6 log 2

■ 双曲線関数の微積分とその諸公式

(定義)sinhx= ex−ex

2 ,coshx=ex+ex

2 ,tanhx= ex−ex ex+ex

(公式1)cosh2x−sinh2x= 1

(偶奇)sinh(−x) =−sinhx, cosh(−x) = coshx, tanh(−x) =−tanh(x)

(微分)(sinhx)= coshx,(coshx)= sinhx,(tanhx)= 1 cosh2x

(逆関数の微分)(arc sinh(x))= 1

1 +x2, (arc cosh(x))= 1

√x21, (arc tanh(x)) = 1 1−x2

2

参照