Calculus · real student question

x = −2 から x = 2 までの、(x^3 cos(x/2) + 1/2) に (4 − x^2) の平方根を掛けたものの定積分を求めよ。

Question

次を計算せよ。

22(x3cosx2+12)4x2dx.\int_{-2}^{2}\left(x^{3}\cos\frac{x}{2}+\frac{1}{2}\right)\sqrt{4-x^{2}}\,dx.

Step-by-step solution

  1. 原始関数を探す前に積分を分ける。 因子 x3cosx24x2x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}} には初等的な原始関数がないので、置換積分や部分積分を試みても行き詰まる。積分区間が 00 について対称なので、代わりに次のように分ける:

    22x3cosx24x2dx+12224x2dx.\int_{-2}^{2}x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx+\frac{1}{2}\int_{-2}^{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx.

  2. 第1項を偶奇で分類する。 x3x^{3} は奇関数、cosx2\cos\frac{x}{2} は偶関数、4x2\sqrt{4-x^{2}} も偶関数である。奇 ×\times×\times 偶 は奇なので、被積分関数全体が f(x)=f(x)f(-x)=-f(x) を満たす。対称な区間では奇関数の積分はつねに 00 になる。[2,0][-2,0] 上の符号付き面積が [0,2][0,2] 上の符号付き面積をちょうど打ち消すからである:

    22x3cosx24x2dx=0.\int_{-2}^{2}x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx=0.

    これがこの問題の核心で、いかにも難しそうな項は囮である。

  3. 第2項を半円と見抜く。 曲線 y=4x2y=\sqrt{4-x^{2}}y0y\ge 0 のもとで x2+y2=4x^{2}+y^{2}=4 と同値であり、半径 22 の円の上半分である。つまりこの積分は原始関数を求めるものではなく、幾何的な面積である:

    224x2dx=12πr2=12π(2)2=2π.\int_{-2}^{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx=\frac{1}{2}\pi r^{2}=\frac{1}{2}\pi(2)^{2}=2\pi.

  4. 組み直す。 半円の面積に定数 12\tfrac12 を掛け、消えた奇関数の部分を足すと:

    22(x3cosx2+12)4x2dx=0+12(2π)=π.\int_{-2}^{2}\left(x^{3}\cos\frac{x}{2}+\frac{1}{2}\right)\sqrt{4-x^{2}}\,dx=0+\frac{1}{2}(2\pi)=\pi.

  5. 数値で確かめる。 [2,2][-2,2] 上で複合シンプソン則を使うと、被積分関数全体では 3.14159263.1415926、奇関数の部分だけでは 2×10162\times10^{-16} となり、厳密値 π3.14159\pi\approx 3.14159 と打ち消しの議論の両方が確認できる。

Answer

π3.14159\pi\approx 3.14159

Need to solve a different problem like this? Open the solver →