問題文全文
以下の定積分の値を求めなさい. ただし, \(\log x\) は \(x\) の自然対数を表す.
(a) \(\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{4}}\frac{\sin x-\sqrt{2}\cos x}{\sqrt{2}\sin x+\cos x}dx=\log\left(\fbox{$\hskip0.8emア\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}-\sqrt{\fbox{$\hskip0.8emイ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}\right)\)
(b)\(\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{4}}\frac{\sin x}{\sqrt{2}\sin x+\cos x}dx=\frac{\sqrt{\fbox{$\hskip0.8emウ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}}{\fbox{$\hskip0.8emエオ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}\pi +\frac{\fbox{$\hskip0.8emカ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}{\fbox{$\hskip0.8emキ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}\log \left(\fbox{$\hskip0.8emク\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}-\sqrt{\fbox{$\hskip0.8emケ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}\right)\)
(c)\(\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{4}}\frac{\cos x}{\sqrt{2}\sin x+\cos x}dx=\frac{\fbox{$\hskip0.8emコ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}{\fbox{$\hskip0.8emサシ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}\pi -\frac{\sqrt{\fbox{$\hskip0.8emス\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}}{\fbox{$\hskip0.8emセ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}\log \left(\fbox{$\hskip0.8emソ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}-\sqrt{\fbox{$\hskip0.8emタ\hskip0.8em\Rule{0pt}{0.8em}{0.4em}$}}\right)\)
着眼点
(a)は明らかに \(\displaystyle \int \frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}dx=\log f(x)+C\) を利用する形です.
(b),(c) は被積分関数の分母が同じですし, 分母も\(\sin x\) か \(\cos x\) かの違いだけです. 確実に関係があると見ていいでしょう. 簡単のために (b) の式を \(\mathrm{B}\), (c) の式を \(\mathrm{C}\) とおくと, (a) の式 \(\mathrm{A}\) が \(\mathrm{B}\) と \(\mathrm{C}\) で表せます. もう一つ \(\mathrm{B}\) と \(\mathrm{C}\) の関係式が作れれば解くことができそうです.
解答
(a)
(b), (c)
一方,
が成り立つ. ①, ②より