問題文全文
以下の定積分の値を求めなさい. ただし, logx は x の自然対数を表す.
(a) ∫π40sinx−√2cosx√2sinx+cosxdx=log(ア−√イ)
(b)∫π40sinx√2sinx+cosxdx=√ウエオπ+カキlog(ク−√ケ)
(c)∫π40cosx√2sinx+cosxdx=コサシπ−√スセlog(ソ−√タ)
着眼点
(a)は明らかに ∫f′(x)f(x)dx=logf(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sinx か cosx 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 B, (c) の式を C とおくと, (a) の式 A が B と C で表せます. もう一つ B と C の関係式が作れれば解くことができそうです.
解答
(a)
∫π40sinx−√2cosx√2sinx+cosxdx=−∫π40(√2sinx+cosx)′√2sinx+cosxdx
=[−log(√2sinx+cosx)]π40=−log(1+1√2)
=log√2√2+1=log(2−√2)
(b), (c)
B=∫π40sinx√2sinx+cosxdx,C=∫π40cosx√2sinx+cosxdx
とおくと, (1) より B−√2C=log(2−√2)⋯①
が成り立つ.
一方,
√2B+C=∫π40√2sinx+cosx√2sinx+cosxdx=∫π40dx=π4⋯②
が成り立つ. ①, ②より
B=√212π+13log(2−√2)
C=π12−√23log(2−√2)