$$$\sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}$$$の積分

この計算機は、手順を示しながら$$$\sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}$$$の不定積分(原始関数)を求めます。

関連する計算機: 定積分・広義積分計算機

$$$dx$$$$$$dy$$$ などの微分記号を使わずに書いてください。
自動検出のため、空欄のままにしてください。

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入力内容

$$$\int \sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

解答

冪低減公式 $$$\cos^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2} + \frac{1}{2}$$$$$$\alpha=x$$$ に適用する:

$${\color{red}{\int{\sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right) \sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)}}{2} d x}}}$$

冪低減公式 $$$\sin^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{1}{2} - \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2}$$$$$$\alpha=x$$$ に適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{\left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right) \sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)}}{2} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\left(1 - \cos{\left(2 x \right)}\right) \left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right) \sin{\left(2 x \right)}}{4} d x}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{4}$$$$$$f{\left(x \right)} = \left(1 - \cos{\left(2 x \right)}\right) \left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right) \sin{\left(2 x \right)}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{\left(1 - \cos{\left(2 x \right)}\right) \left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right) \sin{\left(2 x \right)}}{4} d x}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\left(1 - \cos{\left(2 x \right)}\right) \left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right) \sin{\left(2 x \right)} d x}}{4}\right)}}$$

Expand the expression:

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(1 - \cos{\left(2 x \right)}\right) \left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right) \sin{\left(2 x \right)} d x}}}}{4} = \frac{{\color{red}{\int{\left(- \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(2 x \right)} + \sin{\left(2 x \right)}\right)d x}}}}{4}$$

項別に積分せよ:

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(- \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(2 x \right)} + \sin{\left(2 x \right)}\right)d x}}}}{4} = \frac{{\color{red}{\left(- \int{\sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(2 x \right)} d x} + \int{\sin{\left(2 x \right)} d x}\right)}}}{4}$$

$$$u=\cos{\left(2 x \right)}$$$ とする。

すると $$$du=\left(\cos{\left(2 x \right)}\right)^{\prime }dx = - 2 \sin{\left(2 x \right)} dx$$$(手順は»で確認できます)、$$$\sin{\left(2 x \right)} dx = - \frac{du}{2}$$$ となります。

この積分は次のように書き換えられる

$$\frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} - \frac{{\color{red}{\int{\sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(2 x \right)} d x}}}}{4} = \frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} - \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{u^{2}}{2}\right)d u}}}}{4}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=- \frac{1}{2}$$$$$$f{\left(u \right)} = u^{2}$$$ に対して適用する:

$$\frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} - \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{u^{2}}{2}\right)d u}}}}{4} = \frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} - \frac{{\color{red}{\left(- \frac{\int{u^{2} d u}}{2}\right)}}}{4}$$

$$$n=2$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int u^{n}\, du = \frac{u^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

$$\frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{u^{2} d u}}}}{8}=\frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} + \frac{{\color{red}{\frac{u^{1 + 2}}{1 + 2}}}}{8}=\frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{u^{3}}{3}\right)}}}{8}$$

次のことを思い出してください $$$u=\cos{\left(2 x \right)}$$$:

$$\frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} + \frac{{\color{red}{u}}^{3}}{24} = \frac{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} + \frac{{\color{red}{\cos{\left(2 x \right)}}}^{3}}{24}$$

$$$u=2 x$$$ とする。

すると $$$du=\left(2 x\right)^{\prime }dx = 2 dx$$$(手順は»で確認できます)、$$$dx = \frac{du}{2}$$$ となります。

したがって、

$$\frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} + \frac{{\color{red}{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}}}{4} = \frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(u \right)}}{2} d u}}}}{4}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{2}$$$$$$f{\left(u \right)} = \sin{\left(u \right)}$$$ に対して適用する:

$$\frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(u \right)}}{2} d u}}}}{4} = \frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\sin{\left(u \right)} d u}}{2}\right)}}}{4}$$

正弦関数の不定積分は$$$\int{\sin{\left(u \right)} d u} = - \cos{\left(u \right)}$$$です:

$$\frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} + \frac{{\color{red}{\int{\sin{\left(u \right)} d u}}}}{8} = \frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} + \frac{{\color{red}{\left(- \cos{\left(u \right)}\right)}}}{8}$$

次のことを思い出してください $$$u=2 x$$$:

$$\frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} - \frac{\cos{\left({\color{red}{u}} \right)}}{8} = \frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} - \frac{\cos{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{8}$$

したがって、

$$\int{\sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)} d x} = \frac{\cos^{3}{\left(2 x \right)}}{24} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{8}$$

簡単化せよ:

$$\int{\sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)} d x} = \frac{\left(\cos^{2}{\left(2 x \right)} - 3\right) \cos{\left(2 x \right)}}{24}$$

積分定数を加える:

$$\int{\sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)} d x} = \frac{\left(\cos^{2}{\left(2 x \right)} - 3\right) \cos{\left(2 x \right)}}{24}+C$$

解答

$$$\int \sin^{2}{\left(x \right)} \sin{\left(2 x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}\, dx = \frac{\left(\cos^{2}{\left(2 x \right)} - 3\right) \cos{\left(2 x \right)}}{24} + C$$$A


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