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積分公式と計算法md a27a905
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積分公式せきぶんこうしき計算法けいさんほう

date2026-07-15document_iddoc_50256826235ebc4698c74dfd027e2a49description積分公式を微分公式の逆として導出し、置換積分と部分積分の選択基準および適用条件を整理する。prerequisites積分法の基本 / 微分公式と計算法 / 微分積分学の基本定理type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/calculus/integration-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/differentiation-rules-and-computation.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/antiderivatives-and-indefinite-integrals.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/fundamental-theorem-of-calculus.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/calculus-applications.lecture.n.md / data/exercise/math/calculus/integration-methods-and-computation.exercise.n.md / data/exercise/math/calculus/substitution-and-integration-by-parts.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、微分公式びぶんこうしきから積分公式せきぶんこうしき導出どうしゅつし、被積分関数ひせきぶんかんすう構造こうぞうおうじて直接公式ちょくせつこうしき置換積分ちかんせきぶん部分積分ぶぶんせきぶん選択せんたくする方法ほうほう説明せつめいする。不定積分ふていせきぶん原始関数げんしかんすう集合しゅうごうであり、微分積分学びぶんせきぶんがく基本定理きほんていりによって定積分ていせきぶん計算けいさん接続せつぞくする。

2線型性せんけいせい積分定数せきぶんていすう

F=fG=g ならば (aF+bG)=af+bg である。したがって、af+bg原始関数げんしかんすう集合しゅうごう

(af(x)+bg(x))dx={aF(x)+bG(x)+CCR}

である。不定積分ふていせきぶん等式とうしき特定とくてい関数かんすうではなく、定数差ていすうさ許容きょようする原始関数げんしかんすう集合しゅうごうあらわす。

3直接公式ちょくせつこうしき

積分公式せきぶんこうしきは、右辺うへん微分びぶんして検証けんしょうする。n-1 ではない整数せいすうとする。n<0場合ばあいx0区間くかんで、

xndx=xn+1n+1+C

である。n=-1 ではべつ公式こうしき

1xdx=ln|x|+C

使用しようする。この公式こうしき0ふくまない区間くかんごとに成立せいりつし、そのような区間くかんえてひとつの原始関数げんしかんすう定義ていぎするものではない。

基本的きほんてき指数関数しすうかんすう三角関数さんかくかんすうについては、

exdx=ex+C,sinxdx=-cosx+C,cosxdx=sinx+C

である。また、a>0 かつ a1 のとき、

axdx=axlna+C

成立せいりつする。公式こうしき適用てきようするさいには、微分公式びぶんこうしきだけでなく関数かんすう定義域ていぎいき確認かくにんする。

4置換積分ちかんせきぶん

置換積分ちかんせきぶん連鎖律れんさりつchain ruleぎゃくである。F=f かつ g微分可能びぶんかのうならば、

ddxF(g(x))=f(g(x))g(x)

であるため、

f(g(x))g(x)dx=F(g(x))+C

成立せいりつする。被積分関数ひせきぶんかんすう合成関数ごうせいかんすう f(g(x))内部関数ないぶかんすう導関数どうかんすう g(x)存在そんざいすることが、選択せんたく基準きじゅんである。

具体例ぐたいれいとして、u=x2けば du=2xdx であるから、

2xcos(x2)dx=cosudu=sin(x2)+C

となる。計算後けいさんご微分びぶんすれば、係数けいすう 2xふくめてもと被積分関数ひせきぶんかんすう回復かいふくすることを確認かくにんできる。

定積分ていせきぶんでは、u=g(x)対応たいおうして端点たんてん変換へんかんする。g[a,b] じょう連続微分可能れんぞくびぶんかのう、すなわち g連続れんぞくであり、fg([a,b])ふく区間くかん連続れんぞくならば、

abf(g(x))g(x)dx=g(a)g(b)f(u)du

成立せいりつする。p<qたいして qpf(u)du=-pqf(u)du定義ていぎするため、g(a)>g(b)場合ばあいにもおなしき使用しようできる。

5部分積分ぶぶんせきぶん

部分積分ぶぶんせきぶんせき微分公式びぶんこうしきproduct ruleぎゃくである。(uv)=uv+uv積分せきぶんして整理せいりすると、

u(x)v(x)dx=u(x)v(x)-u(x)v(x)dx

る。uv[a,b] じょう連続れんぞくならば、定積分ていせきぶんについて

abu(x)v(x)dx=[u(x)v(x)]ab-abu(x)v(x)dx

である。

因子いんし一方いっぽう微分びぶんすると単純化たんじゅんかし、他方たほう原始関数げんしかんすう容易よういもとめられるとき、部分積分ぶぶんせきぶん有効ゆうこうである。たとえば u=xv=ex とすれば、

xexdx=xex-exdx=xex-ex+C

となる。m非負整数ひふせいすうである xmex のようなせきでは、多項式たこうしき次数じすうが 0 になるまで部分積分ぶぶんせきぶん反復はんぷくできる。

6有理関数ゆうりかんすう分解ぶんかい

有理関数ゆうりかんすう多項式たこうしきしょうである。分子ぶんし次数じすう分母ぶんぼ次数じすう以上いじょうならば、まず多項式除法たこうしきじょほう適用てきようする。真分数しんぶんすう分母ぶんぼ因数分解いんすうぶんかいできる場合ばあいには、部分分数分解ぶぶんぶんすうぶんかいによって直接公式ちょくせつこうしき還元かんげんできる。たとえば、x±1

1x2-1=12(1x-1-1x+1)

であるから、1-1ふくまない各区間かくくかん

1x2-1dx=12ln|x-1|-12ln|x+1|+C

成立せいりつする。

7構造こうぞうによる選択せんたく

被積分関数ひせきぶんかんすう構造こうぞう第一候補だいいちこうほ判定根拠はんていこんきょ
基本関数きほんかんすうまたはその線型結合せんけいけつごう直接公式ちょくせつこうしき既知きち微分公式びぶんこうしき
f(g(x))g(x)置換積分ちかんせきぶん連鎖律れんさりつ
g(x)/g(x)置換積分ちかんせきぶん(ln|g|)=g/g
異種関数いしゅかんすうせき部分積分ぶぶんせきぶん一方いっぽう微分びぶんによる単純化たんじゅんか
有理関数ゆうりかんすう除法じょほう部分分数分解ぶぶんぶんすうぶんかい代数的分解だいすうてきぶんかい

このひょう機械的きかいてき優先順位ゆうせんじゅんいではない。変形後へんけいご積分せきぶん単純たんじゅんになるかを確認かくにんし、必要ひつようなら複数ふくすう方法ほうほうわせる。

8適用条件てきようじょうけん限界げんかい

置換積分ちかんせきぶんでは、g(x)対応たいおうする因子いんしとその定数倍ていすうばい過不足かぶそくなく処理しょりし、定積分ていせきぶん端点たんてん変換へんかんする。部分積分ぶぶんせきぶんでは、境界項きょうかいこう [uv]ab省略しょうりゃくしてはならない。また、1/x のように特異点とくいてんゆうする関数かんすうでは、通常つうじょう定積分ていせきぶん区間くかん特異点とくいてんふくまないことを確認かくにんする。端点たんてんまたは内部ないぶ特異点とくいてんがある積分せきぶんは、本講義ほんこうぎあつか通常つうじょう定積分ていせきぶん適用範囲外てきようはんいがいである。

本講義ほんこうぎ導出どうしゅつした公式こうしきだけでは、すべての連続関数れんぞくかんすう原始関数げんしかんすうただちに既知きちしき還元かんげんできない。たとえば e-x2みっつの方法ほうほう直接適用ちょくせつてきようしても、ここまでの基本公式きほんこうしきには還元かんげんされない。定積分ていせきぶんあたい必要ひつよう場合ばあいには、数値積分すうちせきぶんによる近似きんじ選択肢せんたくしとなる。

9演習えんしゅう

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10関連資料かんれんしりょう

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