置換積分 関連問題
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この項目では、不定積分の公式を参照してください。
また、
但し、とおいた。,として、x:のとき、t:(,),
また、のとき、だとして、においては連続,,だとする。
証明 だとすると、
合成関数の微分法の公式より、
をxで微分すると、
∴
をxで微分すると、になる、ということは、をxで積分するとになるということです。
つまり、 ()
∴
また、 (証明終)
積分の計算は微分の計算と違って、必ずできるという保証がないのです。例えば、のとき、
という形の積分は、指数関数や三角関数では表せないことが知られています。
ですが、そのままの形では積分の計算ができなくても、文字の置き換えを行うことにより、積分の計算が行える場合があります。
という形をしていて、計算のできない積分があった場合に、とおくと、
そこで、積分の中のをで置き換えて、xに関する積分をtに関する積分に直してしまうことができます。
定積分の場合には、積分範囲のはxに関する範囲なので、tに間する積分に直す場合には、,として、x:のとき、t:なので、
この形に直すと積分が計算できる場合があります。ただし、置換積分は、いつもうまくいくとは限らないことに注意してください。
という形の積分は、とおくと、うまくいくことがあります。
例1
とおくと、 ∴
x::のとき、t:
∴ の場合には、とおいて、xについて解いてから、を求めます。
例2
の場合には、とおくと、 ∴
が被積分関数の中にあるときには、nが奇数になっているときに、として、うまくいくときがあります。
の場合には、とおくと、 ∴
が被積分関数の中にあるときには、nが奇数になっているときに、として、うまくいくときがあります。
例3
の場合には、とおくと、うまくいくことがあります。
例4
とおくと、,x:のとき、t:
∴ さらに、とおくと、t:のとき、u:
∴
の場合には、とおくと、うまくいくことがあります。
例5
∴ 第1項の積分は、とおくと、 ∴ θ :のとき、t:より、 第2項の積分は、
第3項の積分は、
以上より、
注意 上記の置換積分で、という形をしている積分では、文字の置き換えが面倒なので、として、
(C:積分定数) というような書き方をすることがあります。を固まりとして文字のように思って積分の計算をします。
以下のように、定積分のときには、,として、積分範囲を入れかえる必要がないので便利です。
これを、高校の教科書風に計算を書くのであれば、とおいて、,x:のとき、t:より、
となります。
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