原始関数¶
導関数のもとの関数を探す¶
関数v(t)の導関数が、定数のgで
v˙(t)=dtdv(t)=g で与えられたとする。このとき関数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) 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)の導関数がf(x)に等しいとき、すなわち
F′(x)=f(x) であるとき、F(x)をf(x)の 原始関数 (primitive function)という。
F(x)がf(x)の原始関数ならば、任意の定数Cに対してF(x)+Cも原始関数である。
dxd(F(x)+C)=dxdF(x)+0=f(x) 不定積分¶
関数 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 で表す。したがってf(x)の1つの原始関数をF(x)とすれば、
∫f(x)dx=F(x)+C ∫f(x)dxを 不定積分 (indefinite integral)といい、定数Cを 積分定数 (constant of integration)とよぶ。
関数f(x)の不定積分を求めることを 積分する といい、f(x)を 被積分関数 (integrand)という。
不定積分の基本的性質¶
dxd∫f(x)dx=f(x)
∫F′(x)dx=F(x)+C
∫kf(x)dx=k∫f(x)dx(k : 定数 )
∫(f+g)dx=∫fdx+∫gdx
置換積分法¶
変数xの代わりに新しい変数tを導入し、
x=φ(t) とおくと、積分が簡単に行える場合がある。
F(x)=∫f(x)dx ならば、合成関数の微分によって
dtdF(φ(t))=dxdF(x)dtdx=f(x)φ′(t)=f(φ(t))φ′(t) であるため
F(φ(t))=∫f(φ(t))φ′(t)dt となるため
∫f(x)dx=∫f(φ(t))φ′(t)dt となる。これを 置換積分法 (integration by substitution) という。
例題
∫cos(ax+b)dx t=ax+b とおく
∫cos(ax+b)dx=∫costadt=a1∫costdt=a1sint+C=a1sin(ax+b)+C 部分積分法¶
2つの微分可能な関数 f(x) と g(x) に対して
(fg)′=f′g+fg′ 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)dx から
∫f(x)g′(x)dx=f(x)g(x)−∫f′(x)g(x)dx となる。これを 部分積分法 (integration by parts)という。
例
∫logxdx を求める。f=logx,g=xと考えて部分積分法を用いる。
∫logxdx=∫logx⋅(x)′dx=logx⋅x−∫(logx)′xdx=xlogx−∫x1xdx=xlogx−∫dx=xlogx−x+C 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)として、有理関数F(x)は
F(x)=g(x)f(x) と表される。分子にあるf(x)の字数が分母にあるg(x)の次数より高いならば、
x2+3x3+4x2+2x+1=x+4−x2+3x+11 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(x+a)m1と[(x−a)2+b2]mAx+Bの形の和に分解できる。
代表的な公式¶
∫xαdx=α+11xα+1+C(α=−1)∫exdx=ex+C∫axdx=loga1ax+C(a>0,a=1)∫x1dx=log∣x∣+C 三角関数:
∫sinxdx=−cosx+C∫cosxdx=sinx+C∫cos2x1dx=tanx+C∫1−x21dx=sin−1x+C∫1+x21dx=tan−1x+C 2次の三角関数:
∫sin2x dx=∫21−cos2x dx=21∫(1−cos2x) dx=21(x+21sin2x)+C=21x+41sin2x+C 2倍角の公式 cos2θ=1−2sin2θ を変形したもの
cos2θ=1−2sin2θ⟺sin2θ=21−cos2θ をつかって次数を下げて解いている。
∫cos2x dx=∫21+cos2x dx=21∫(1+cos2x) dx=21(x+21sin2x)+C=21x+41sin2x+C cos2θ=2cos2θ−1⟺cos2θ=21+cos2θ