積分法

定積分の計算(数学IIIレベル)

指数・対数・三角関数と偶奇性

積分法の「定積分の計算(数学IIIレベル)」を、答えを先に押さえてから理解できる形に整理したページです。「指数・対数・三角関数と偶奇性」でつまずきやすい点も含めて、学習の流れを短く確認できます。

数学Ⅲ 約8分 難易度 2

このページのまとめ

先に押さえておくこと

定積分の計算(数学IIIレベル)の要点をまとめたページです。先に答えを確認してから、解き方とつまずきやすい点を順にたどれます。

答えの要点

指数・対数・三角関数と偶奇性の答えと条件を先に確認できます。

  • テーマ: 指数・対数・三角関数と偶奇性
  • ポイント: 積分法の基礎を短く確認しやすく、検索から入ってもそのまま理解まで進めやすい記事です。
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問題

次の定積分を求めよ。

(1)01xexdx(1)\quad \displaystyle \int_0^1 xe^x\,dx
(2)ππxcosxdx(2)\quad \displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} x\cos x\,dx
(3)1elogxxdx(3)\quad \displaystyle \int_1^e \frac{\log x}{x}\,dx

答えを見る

(1)  1(1)\;\underline{1}
(2)  0(2)\;\underline{0}
(3)  12(3)\;\underline{\displaystyle \frac{1}{2}}

解説

数学IIIレベルの定積分の計算について解説します。

指数関数、対数関数、三角関数を含む定積分は、部分積分や置換積分、偶奇性を使って計算します。

(1)01xexdx(1)\quad \displaystyle \int_0^1 xe^x\,dx

xexxe^xの積分は部分積分を使うよ。xxを微分する側にすると計算が楽になるんだ。

f(x)=xf(x)=xg(x)=exg'(x)=e^xとすると、f(x)=1f'(x)=1g(x)=exg(x)=e^x

部分積分の公式より、

01xexdx=[xex]0101exdx\displaystyle \int_0^1 xe^x\,dx = [xe^x]_0^1 - \int_0^1 e^x\,dx
=[xex]01[ex]01= [xe^x]_0^1 - [e^x]_0^1
=(1e10e0)(e1e0)= (1\cdot e^1 - 0\cdot e^0) - (e^1 - e^0)
=e(e1)= e - (e-1)
=1= \underline{1}

続いて(2)(2)を解こう。

(2)ππxcosxdx(2)\quad \displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} x\cos x\,dx

これも部分積分を使えばいいですか?

部分積分でもできるけど、もっと早い方法があるよ。

f(x)=xcosxf(x)=x\cos xが奇関数か偶関数か確認してみよう。

f(x)=xcosxf(x) = x\cos xについて、

f(x)=(x)cos(x)f(-x) = (-x)\cos(-x)

=(x)cosx= (-x) \cdot \cos x\because cos(x)=cosx\cos(-x)=\cos x

=xcosx=f(x)= -x\cos x = -f(x)

よって、f(x)=xcosxf(x)=x\cos xは**奇関数**です。

奇関数の定積分(区間が原点対称)は、常に0になるんだよ。

奇関数の性質より、

ππxcosxdx=0\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} x\cos x\,dx = \underline{0}

計算しなくても答えが0だとわかるんですね!

その通り!グラフで考えると、原点対称なので正の部分と負の部分が打ち消し合うんだ。

最後に(3)(3)を解こう。

(3)1elogxxdx(3)\quad \displaystyle \int_1^e \frac{\log x}{x}\,dx

この問題は置換積分を使うとシンプルに解けるよ。

t=logxt=\log xとおくと、dtdx=1x\displaystyle \frac{dt}{dx}=\frac{1}{x}よりdt=dxxdt=\displaystyle \frac{dx}{x}

また、x=1x=1のときt=log1=0t=\log 1=0x=ex=eのときt=loge=1t=\log e=1

1elogxxdx=01tdt\displaystyle \int_1^e \frac{\log x}{x}\,dx = \int_0^1 t\,dt
=[t22]01= \left[\frac{t^2}{2}\right]_0^1
=120= \frac{1}{2} - 0
=12= \underline{\frac{1}{2}}
このページのまとめ

ここでは数学IIIレベルの定積分の計算について学習しました。

部分積分、置換積分、偶奇性の利用など、様々なテクニックを使いこなせるようになりましょう。

特に、奇関数の定積分は計算せずに0と分かるので、時間短縮になりますよ!

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