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不定積分

原始関数

導関数のもとの関数を探す

関数v(t)v(t)の導関数が、定数のgg

v˙(t)=dv(t)dt=g\dot{v}(t)=\frac{d v(t)}{d t}=g

で与えられたとする。このとき関数v(t)v(t)はどのような形の関数だろうか。

微分を考えると

v(t)=gt+C(C:定数)v(t) = gt + C \quad (C: 定数)

と予想される。

※なぜもとの関数を見つけたいのか → 理工系では、さまざまな自然法則を微分方程式で表す事が多い。微分方程式が含む情報は、導関数のもとの関数を求めることで明らかにされる。

原始関数

関数F(x)F(x)の導関数がf(x)f(x)に等しいとき、すなわち

F(x)=f(x)F'(x) = f(x)

であるとき、F(x)F(x)f(x)f(x)原始関数 (primitive function)という。

F(x)F(x)f(x)f(x)の原始関数ならば、任意の定数CCに対してF(x)+CF(x)+Cも原始関数である。

ddx(F(x)+C)=ddxF(x)+0=f(x)\frac{d}{dx} (F(x) + C) = \frac{d}{dx} F(x) + 0 = f(x)

不定積分

関数 f(x)f(x) の原始関数が存在するとき、原始関数全体を 記号

f(x)dx\int f(x) dx

で表す。したがってf(x)f(x)の1つの原始関数をF(x)F(x)とすれば、

f(x)dx=F(x)+C\int f(x) d x=F(x)+C

f(x)dx\displaystyle \int f(x) dx不定積分 (indefinite integral)といい、定数CC積分定数 (constant of integration)とよぶ。

関数f(x)f(x)の不定積分を求めることを 積分する といい、f(x)f(x)被積分関数 (integrand)という。

不定積分の基本的性質

  1. ddxf(x)dx=f(x)\displaystyle \frac{d}{d x} \int f(x) d x=f(x)

  2. F(x)dx=F(x)+C\displaystyle \int F^{\prime}(x) d x=F(x)+C

  3. kf(x)dx=kf(x)dx(k\displaystyle \int k f(x) d x=k \int f(x) d x \quad(k : 定数 ))

  4. (f+g)dx=fdx+gdx\displaystyle \int(f+g) d x=\int f d x+\int g d x

積分の計算

置換積分法

変数xxの代わりに新しい変数ttを導入し、

x=φ(t)x = \varphi(t)

とおくと、積分が簡単に行える場合がある。

F(x)=f(x)dxF(x)=\int f(x) d x

ならば、合成関数の微分によって

ddtF(φ(t))=ddxF(x)dxdt=f(x)φ(t)=f(φ(t))φ(t)\frac{d}{d t} F(\varphi(t))=\frac{d}{d x} F(x) \frac{d x}{d t}=f(x) \varphi^{\prime}(t)=f(\varphi(t)) \varphi^{\prime}(t)

であるため

F(φ(t))=f(φ(t))φ(t)dtF(\varphi(t))=\int f(\varphi(t)) \varphi^{\prime}(t) d t

となるため

f(x)dx=f(φ(t))φ(t)dt\int f(x) d x=\int f(\varphi(t)) \varphi^{\prime}(t) d t

となる。これを 置換積分法 (integration by substitution) という。

例題
cos(ax+b)dx\int \cos (a x+b) d x

t=ax+bt=a x+b とおく

cos(ax+b)dx=costdta=1acostdt=1asint+C=1asin(ax+b)+C\begin{aligned} \int \cos (a x+b) d x &=\int \cos t \frac{d t}{a}\\ &=\frac{1}{a} \int \cos t d t\\ &=\frac{1}{a} \sin t+C \\ & =\frac{1}{a} \sin (a x+b)+C \end{aligned}

部分積分法

2つの微分可能な関数 f(x)f(x)g(x)g(x) に対して

(fg)=fg+fg(f g)^{\prime}=f^{\prime} g+f g^{\prime}

が成り立つため、この両辺を積分して

f(x)g(x)=f(x)g(x)dx+f(x)g(x)dxf(x) g(x)=\int f^{\prime}(x) g(x) d x+\int f(x) g^{\prime}(x) d x

から

f(x)g(x)dx=f(x)g(x)f(x)g(x)dx\int f(x) g^{\prime}(x) d x=f(x) g(x)-\int f^{\prime}(x) g(x) d x

となる。これを 部分積分法 (integration by parts)という。

logxdx\int \log x d x

を求める。f=logx,g=xf=\log x, g=xと考えて部分積分法を用いる。

logxdx=logx(x)dx=logxx(logx)xdx=xlogx1xxdx=xlogxdx=xlogxx+C\begin{aligned} \int \log x d x & =\int \log x \cdot(x)^{\prime} d x=\log x \cdot x-\int(\log x)^{\prime} x d x \\ & =x \log x-\int \frac{1}{x} x d x=x \log x-\int d x \\ & =x \log x-x+C \end{aligned}

部分分数分解

有理関数の不定積分は必ず求めることができる。

2つの多項式をf(x),g(x)f(x), g(x)として、有理関数F(x)F(x)

F(x)=f(x)g(x)F(x)=\frac{f(x)}{g(x)}

と表される。分子にあるf(x)f(x)の字数が分母にあるg(x)g(x)の次数より高いならば、

x3+4x2+2x+1x2+3=x+4x+11x2+3\frac{x^3+4 x^2+2 x+1}{x^2+3}=x+4-\frac{x+11}{x^2+3}

のような変形により、「多項式」と「分子の次数が分母の次数より低い有理関数」の和に書くことができる。

このとき、すべての有理関数は1(x+a)m\displaystyle\frac{1}{(x+a)^m}Ax+B[(xa)2+b2]m\displaystyle\frac{A x+B}{\left[(x-a)^2+b^2\right]^m}の形の和に分解できる。

代表的な公式

xαdx=1α+1xα+1+C(α1)exdx=ex+Caxdx=1logaax+C(a>0,a1)1xdx=logx+C\begin{aligned} & \int x^\alpha d x=\frac{1}{\alpha+1} x^{\alpha+1}+C \quad(\alpha \neq-1) \\ & \int e^x d x=e^x+C \\ & \int a^x d x=\frac{1}{\log a} a^x+C \quad(a>0, a \neq 1) \\ & \int \frac{1}{x} d x=\log |x|+C \end{aligned}

三角関数:

sinxdx=cosx+Ccosxdx=sinx+C1cos2xdx=tanx+C11x2dx=sin1x+C11+x2dx=tan1x+C\begin{aligned} & \int \sin x d x=-\cos x+C \\ & \int \cos x d x=\sin x+C \\ & \int \frac{1}{\cos ^2 x} d x=\tan x+C \\ & \int \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} d x=\sin ^{-1} x+C \\ & \int \frac{1}{1+x^2} d x=\tan ^{-1} x+C \end{aligned}

2次の三角関数:

sin2x dx=1cos2x2 dx=12(1cos2x) dx=12(x+12sin2x)+C=12x+14sin2x+C\begin{aligned} \int \sin ^2 x ~d x &= \int \frac{1-\cos 2 x}{2} ~d x\\ &= \frac{1}{2} \int (1 - \cos 2x) ~dx\\ &= \frac{1}{2} (x + \frac{1}{2} \sin 2x) +C\\ &= \frac{1}{2} x + \frac{1}{4} \sin 2x + C\\ \end{aligned}

2倍角の公式 cos2θ=12sin2θ\cos 2 \theta = 1-2 \sin ^2 \theta を変形したもの

cos2θ=12sin2θ    sin2θ=1cos2θ2\cos 2 \theta = 1-2 \sin ^2 \theta \iff \sin ^2 \theta = \frac{1 - \cos 2 \theta}{2}

をつかって次数を下げて解いている。

cos2x dx=1+cos2x2 dx=12(1+cos2x) dx=12(x+12sin2x)+C=12x+14sin2x+C\begin{aligned} \int \cos^2 x ~dx &= \int \frac{ 1 + \cos 2 x }{ 2 } ~dx \\ &= \frac{1}{2} \int (1 + \cos 2x) ~dx\\ &= \frac{1}{2} (x + \frac{1}{2} \sin 2x) + C\\ &= \frac{1}{2} x + \frac{1}{4} \sin 2x + C\\ \end{aligned}
cos2θ=2cos2θ1    cos2θ=1+cos2θ2\cos 2 \theta = 2 \cos ^2 \theta-1 \iff \cos ^2 \theta = \frac{ 1 + \cos 2 \theta }{ 2 }