$$$x^{2} \sin{\left(3 x \right)}$$$の積分

$$$\int x^{2} \sin{\left(3 x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

積分 $$$\int{x^{2} \sin{\left(3 x \right)} d x}$$$ には、部分積分法$$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$を用いてください。

$$$\operatorname{u}=x^{2}$$$ と $$$\operatorname{dv}=\sin{\left(3 x \right)} dx$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{du}=\left(x^{2}\right)^{\prime }dx=2 x dx$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{\sin{\left(3 x \right)} d x}=- \frac{\cos{\left(3 x \right)}}{3}$$$（手順は»を参照）。

この積分は次のように書き換えられる

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

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=- \frac{2}{3}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = x \cos{\left(3 x \right)}$$$ に対して適用する:

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

積分 $$$\int{x \cos{\left(3 x \right)} d x}$$$ には、部分積分法$$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$を用いてください。

$$$\operatorname{u}=x$$$ と $$$\operatorname{dv}=\cos{\left(3 x \right)} dx$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{du}=\left(x\right)^{\prime }dx=1 dx$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{\cos{\left(3 x \right)} d x}=\frac{\sin{\left(3 x \right)}}{3}$$$（手順は»を参照）。

この積分は次のように書き換えられる

$$- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 {\color{red}{\int{x \cos{\left(3 x \right)} d x}}}}{3}=- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 {\color{red}{\left(x \cdot \frac{\sin{\left(3 x \right)}}{3}-\int{\frac{\sin{\left(3 x \right)}}{3} \cdot 1 d x}\right)}}}{3}=- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 {\color{red}{\left(\frac{x \sin{\left(3 x \right)}}{3} - \int{\frac{\sin{\left(3 x \right)}}{3} d x}\right)}}}{3}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{3}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \sin{\left(3 x \right)}$$$ に対して適用する:

$$- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} - \frac{2 {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(3 x \right)}}{3} d x}}}}{3} = - \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} - \frac{2 {\color{red}{\left(\frac{\int{\sin{\left(3 x \right)} d x}}{3}\right)}}}{3}$$

$$$u=3 x$$$ とする。

すると $$$du=\left(3 x\right)^{\prime }dx = 3 dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$dx = \frac{du}{3}$$$ となります。

積分は次のようになります

$$- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} - \frac{2 {\color{red}{\int{\sin{\left(3 x \right)} d x}}}}{9} = - \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} - \frac{2 {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(u \right)}}{3} d u}}}}{9}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{3}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \sin{\left(u \right)}$$$ に対して適用する:

$$- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} - \frac{2 {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(u \right)}}{3} d u}}}}{9} = - \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} - \frac{2 {\color{red}{\left(\frac{\int{\sin{\left(u \right)} d u}}{3}\right)}}}{9}$$

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

$$- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} - \frac{2 {\color{red}{\int{\sin{\left(u \right)} d u}}}}{27} = - \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} - \frac{2 {\color{red}{\left(- \cos{\left(u \right)}\right)}}}{27}$$

次のことを思い出してください $$$u=3 x$$$:

$$- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} + \frac{2 \cos{\left({\color{red}{u}} \right)}}{27} = - \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} + \frac{2 \cos{\left({\color{red}{\left(3 x\right)}} \right)}}{27}$$

したがって、

$$\int{x^{2} \sin{\left(3 x \right)} d x} = - \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} + \frac{2 \cos{\left(3 x \right)}}{27}$$

積分定数を加える:

$$\int{x^{2} \sin{\left(3 x \right)} d x} = - \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} + \frac{2 \cos{\left(3 x \right)}}{27}+C$$

$$$\int x^{2} \sin{\left(3 x \right)}\, dx = \left(- \frac{x^{2} \cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{2 x \sin{\left(3 x \right)}}{9} + \frac{2 \cos{\left(3 x \right)}}{27}\right) + C$$$A