置換積分と部分積分―基本演習
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1問題 1
\int 2x\sin(x^2)\,dx
を計算し、解答を微分して検算せよ。
1.1解答例
f(u)=\sin u、g(x)=x^2 とすれば、被積分関数は f(g(x))g'(x) の形であり、g'(x)=2x である。u=x^2 と置くと du=2x\,dx であるから、
\int2x\sin(x^2)\,dx
=\int\sin u\,du
=-\cos u+C
=-\cos(x^2)+C
となる。また、
\frac{d}{dx}\bigl(-\cos(x^2)+C\bigr)=2x\sin(x^2)
であるため、元の被積分関数が回復する。
1.2解説
置換積分は連鎖律の逆である。被積分関数が合成関数 f(g(x)) と内部関数の導関数 g'(x) を因子として含むことを確認する。
2問題 2
\int x\cos x\,dx
を計算し、解答を微分して検算せよ。
2.1解答例
u=x、v'=\cos x と選択すると、u'=1、v=\sin x である。部分積分により、
\int x\cos x\,dx
=x\sin x-\int\sin x\,dx
=x\sin x+\cos x+C
となる。また、
\frac{d}{dx}\bigl(x\sin x+\cos x+C\bigr)
=\sin x+x\cos x-\sin x
=x\cos x
である。
2.2解説
部分積分は積の微分公式の逆である。多項式因子 x を微分すると 1 に単純化し、\cos x の原始関数は容易に計算できる。
3総合演習
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4関連講義
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Substitution and Integration by Parts — Basic Exercises
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1Problem 1
Evaluate
\int2x\sin(x^2)\,dx
and verify the answer by differentiation.
1.1Sample Solution
Let f(u)=\sin u and g(x)=x^2. The integrand then has the form f(g(x))g'(x), with g'(x)=2x. Let u=x^2, so du=2x\,dx. Then
\int2x\sin(x^2)\,dx
=\int\sin u\,du
=-\cos u+C
=-\cos(x^2)+C.
Moreover,
\frac{d}{dx}\bigl(-\cos(x^2)+C\bigr)=2x\sin(x^2),
which recovers the original integrand.
1.2Explanation
Substitution reverses the chain rule. Check that the integrand contains both a composite function f(g(x)) and the derivative g'(x) of its inner function as factors.
2Problem 2
Evaluate
\int x\cos x\,dx
and verify the answer by differentiation.
2.1Sample Solution
Choose u=x and v'=\cos x, so u'=1 and v=\sin x. Integration by parts gives
\int x\cos x\,dx
=x\sin x-\int\sin x\,dx
=x\sin x+\cos x+C.
Furthermore,
\frac{d}{dx}\bigl(x\sin x+\cos x+C\bigr)
=\sin x+x\cos x-\sin x
=x\cos x.
2.2Explanation
Integration by parts reverses the product rule. Differentiating the polynomial factor x simplifies it to 1, while an antiderivative of \cos x is readily available.
3Comprehensive Exercises
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4Related Lectures
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