■定積分と不定積分の関係
※原始関数F(x)には定数Cの差がある(不定である)が,定積分の計算ではf(x)dx=F(x)+C のとき f(x)dx=F(x)=F(b)−F(a) F(x)+C=(F(b)+C)−(F(a)+C)=F(b)−F(a) のように定数項Cを付けて計算しても,引き算で消えてしまう. そこで,定積分を求めるときは,計算が最も楽になるようにC=0とする.
⇒ 定積分の計算では,原始関数の内でC=0の場合を使う
■1. 多項式,分数関数,無理関数
…不定積分の公式のまとめ
○αが実数で,−1以外のときxαdx=+C…(1.1) (ax+b)αdx=+C (a≠0)…(1.2) ○α=−1のとき x−1dx=log|x|+C…(1.3) (ax+b)−1dx=log|ax+b|+C (a≠0)…(1.4) |
※この頁は,多項式,分数関数,無理関数の不定積分と置換積分,部分積分の知識を前提とした総合練習になっています.以上のいずれかの内容をまだ学んでいない方は,その項目を先にやってください. 【例1】 (1.1)→ dx=xdx== x =−0= 【例2】 (1.1)→ dx=x−dx== 3x =3−3 【例3】 (1.2)→ (2x+3)4dx== (55−15)= 【例4】 (1.4)→ == |
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次の定積分の値を求めてください.
※正しい選択肢の番号をクリックしてください.
なお,暗算ではできませんので,別途計算用紙と筆記用具が必要です. |
dx=(x−3+)dx
と変形し,項別に積分します. =−3x+2log|x|
=(2−6+2log2)−(−3+0)=−+2log2 → 3
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被積分関数を,次のように有理指数(分数の指数)で簡単にしてから積分します.(次の指数法則に注意:xαxβ=xα+β)
(+1)=x(x+1)=x+x (x+x)dx=x+x
=(+)−0= → 3
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被積分関数を,次のように部分分数分解して次数を下げてから積分します.
=(−) (−)dx =− =log|
=(log−log)=log=log
=−=−
=− → 4
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被積分関数の分母が実係数の範囲では因数分解できない2次式である場合(判別式が負の場合),すなわち,分母が平方完成形になる場合
, , (A>0) x=Atanθ , x=Atanθ , x+p=Atanθの置換積分により定積分の値を計算できます. (この形は不定積分の問題としては逆三角関数が登場するので高校数学の範囲外になりますが,定積分は「単なる数値」なので高校数学で解けることに注意)
x=tanθとおくと
ここで,三角関数の相互関係から=
sin2θ+cos2θ=1 → tan2θ+1= したがって,つねに,(tan2θ+1)cos2θ=1が成り立ち, 元の被積分関数は1になる.
dθ=θ= → 1
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分母が根号の和や差になっている場合は,符号が逆のものを分母分子にかけて分母を有理化します.
= =− (原式)=( −)dx =(x+1)−x
=(2−)−( )=− → 4
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この問題では,
2−x=t とおく置換積分によっても解くことができますが, 一般に, (多項式) の形の被積分関数になっているときは, =t とおく置換積分にすると多項式の積分になり,解き易くなります.
=tとおくと
xdx2−x=t2 , x=2−t2 =−2t
=(2−t2)t(−2t)dt =−2 (t4−2t2)dt =−2−
= → 4
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≪補足問題と答≫ ■部分分数分解を使う問題
(1)← (−)dx=log|x−1|−log|x| =log||=log||−log|| =log|×|=log
=−
とおいて,両辺の係数を比較する.
(2)←右辺を通分すると,分子は A(x+3)−B(x−2)=(A−B)x+(3A+2B) これが,左辺の分子1と一致するためには A=B= (−)dx =log|x−2|−log|x+3| =log|| =(log−log)=log(×) =log=−log16=−log2 (3)← (−)dx
=−
とおいて,両辺の係数を比較すると
=log|x−3|−log|x+3|
=log||
=(log−log2)=log(×)
=log=−log10A=B=
=+
とおいて,両辺の係数を比較する.
(4)←右辺を通分すると,分子は A(x+1)+B(x−4) =(A+B)x+(A−4B) これが,左辺の分子x−1と一致するためには A+B=1, A−4B=−1 A= , B= したがって =+ (+)dx =log|x−4|+log|x+1| =(log1+log4) −(log4+log1) =log4−log4 =−log4=−log2 |
■分母の2次式が実係数で因数分解できない(判別式が負)場合 ⇒ 分母を平方完成して置換積分を行う問題
(1)←
x=2tanθとおくと
= dθ
ここで,(tan2θ+1)cos2θ=1だから=
dθ=θ ={ −(−) }== (2)←
x=tanθとおくと
= dθ
ここで,(tan2θ+1)cos2θ=1だから=
dθ=θ ==π (3)← 被積分関数の分子の次数が分母の次数よりも大きい,または等しい場合は,積分計算の前処理として,割り算を行って分子の次数を下げるのが基本. そこで,(x2−9)÷(x2+9)=1…−18により
x=3tanθとおくと
=1−=
(*1) =3tanθとなるのは tanθ=→θ= (*2) 3=3tanθとなるのは tanθ=1→θ= と変形しておく. (1−)dx = dx−18 dx (第1項)=x=3− (第2項)は右の置換積分により −18 dθ =−6θ=−6( −) =−6=− (原式)=3−− |
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■分母の有理化を行う問題
(1)← =dx =dx =(+)dx = (x+3)+(x+1) = (x+3)+(x+1) =(7+2−3) (2)← =dx =dx =(−)dx = (x+2)+x = (x+2)−x =(8−4) |
■=tの置換積分を行う問題
(1)← =tとおくと 2x+1=t2 , x= , =t
=( +2) t t dt =( t4+3t2)dt ... = (2)← =tとおくと x+1=t3 , x=t3−1 , =3t2
= (t3−2) t 3t2 dt =3 (t 6−2t3)dt ... =− |