$$$x \cos{\left(\pi n x \right)}$$$ の $$$x$$$ に関する積分

$$$\int x \cos{\left(\pi n x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

積分 $$$\int{x \cos{\left(\pi n x \right)} d x}$$$ 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 $$$\operatorname{dv}=\cos{\left(\pi n x \right)} dx$$$ 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$$$\operatorname{v}=\int{\cos{\left(\pi n x \right)} d x}=\frac{\sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n}$$$（手順は»を参照）。

したがって、

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

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

$$- {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} d x}}} + \frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} = - {\color{red}{\frac{\int{\sin{\left(\pi n x \right)} d x}}{\pi n}}} + \frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n}$$

$$$u=\pi n x$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

$$\frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} - \frac{{\color{red}{\int{\sin{\left(\pi n x \right)} d x}}}}{\pi n} = \frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(u \right)}}{\pi n} d u}}}}{\pi n}$$

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

$$\frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(u \right)}}{\pi n} d u}}}}{\pi n} = \frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} - \frac{{\color{red}{\frac{\int{\sin{\left(u \right)} d u}}{\pi n}}}}{\pi n}$$

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

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

次のことを思い出してください $$$u=\pi n x$$$:

$$\frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} + \frac{\cos{\left({\color{red}{u}} \right)}}{\pi^{2} n^{2}} = \frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} + \frac{\cos{\left({\color{red}{\pi n x}} \right)}}{\pi^{2} n^{2}}$$

したがって、

$$\int{x \cos{\left(\pi n x \right)} d x} = \frac{x \sin{\left(\pi n x \right)}}{\pi n} + \frac{\cos{\left(\pi n x \right)}}{\pi^{2} n^{2}}$$

簡単化せよ:

$$\int{x \cos{\left(\pi n x \right)} d x} = \frac{\pi n x \sin{\left(\pi n x \right)} + \cos{\left(\pi n x \right)}}{\pi^{2} n^{2}}$$

積分定数を加える:

$$\int{x \cos{\left(\pi n x \right)} d x} = \frac{\pi n x \sin{\left(\pi n x \right)} + \cos{\left(\pi n x \right)}}{\pi^{2} n^{2}}+C$$

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