![]() ![]() *** 大区分 *** 数Ⅰ・A数Ⅱ・B数Ⅲ高卒・大学初年度 *** 中区分 *** ベクトル・行列連立方程式複素数関数・数列微分積分微分方程式統計maxima ※高卒から大学初年度レベルの「積分」について,このサイトには次の教材があります.
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【sinxに関する不定積分≪一覧≫】
○[基本]
∫sinx dx=−cosx+C…(*1.1) ○[sinnx]の形のうちnが小さいとき→2倍角公式,3倍角公式などで変形する. ∫sin2x dx=− ![]() ![]() ∫sin3x dx= ![]() ![]() ∫sin4x dx= ![]() ![]() ![]() = ![]() ![]() ![]() ∫sin5x dx =− ![]() ![]() ![]() =− ![]() ![]() ○[sinnx]の形のうちnが奇数の場合 ∫ f(cosx)sinx dx→cosx=tとおいて置換積分 の応用として ∫sin2n+1x dx=∫sin2nxsinx dx =∫ (1−cos2x)nsinx dx …(*1.6) ○[sinnx]の形のうちnが偶数の場合 nが正の整数のとき(奇数のときでも使えます) ∫sinnx dx→漸化式を作り,逐次次数を下げる.…(*1.7) (※一般項を求めるのではない.) ○[ ![]() ∫ ![]() ![]() = ![]() ![]() ∫ ![]() ![]() ∫ ![]() ![]() ![]() …(*1.10) ○[xnsinx]の形→部分積分 ∫ xsinx dx=sinx−xcosx+C…(*1.11) ∫ x2sinx dx=2xsinx−(x2−2)cosx+C…(*1.12) ∫ xnsinx dx→漸化式を作り,逐次次数を下げる. …(*1.13) ○[eaxsinbx]の形→部分積分を2回行う ∫ exsinx dx= ![]() ∫ e2xsin3x dx= ![]() ∫ e−xsinx dx=− ![]() ○[ ![]() 一般に,分子が分母の微分となっている関数の場合は,分母・分子がどんなに複雑であっても,直ちにlog|f(x)|の形で積分が求まります. ∫ ![]() ∫ ![]() ∫ ![]() ○[f(sinx, cosx, tanx)]の形→tan ![]() sinx= ![]() ![]() ![]() tで表されます.ただし,複雑な式になることが多いので,これは「最後の手段」と考えた方がよい.…(*1.20) ![]() |
(解説) (*1.1)← ![]() (*1.2)← 半角公式(=2倍角公式)を使って,被積分関数を書き換えるとできます. sin2x= ![]() ∫sin2x dx=∫ ( ![]() ![]() ![]() ![]() (*1.3)← 3倍角公式を使って,被積分関数を書き換えるとできます. sin3x=3sinx−4sin3xにより sin3x= ![]() ![]() ∫sin3x dx=∫ ( ![]() ![]() =− ![]() ![]()
この積分は(*1.6)を使って求めることもできます.
(*1.4)←∫sin3x dx=∫sin2xsinx dx =∫ (1−cos2x)sinx dx cosx=tとおくと ![]() ∫ (1−cos2x)sinx dx=∫ (1−t2)sinx ![]() =∫ (t2−1)dt= ![]() ![]() cos3xの3倍角公式を使って変形すると,(#1)と(#2)とは同じ式であることが分かります. 半角公式(=2倍角公式)を2回使って,被積分関数を書き換えるとできます. sin2x= ![]() sin4x=( ![]() ![]() = ![]() ![]() = ![]() ![]() ![]() ∫sin4x dx= ![]() ![]() ![]()
この積分は(*1.7)を使って求めることもできます.
(*1.5)←In=∫sinnx dxとおくと In=− ![]() ![]() により,I0→I2→I4→...と順に求めることができます. I0=∫sin0x dx=∫ 1 dx=x+C I2=− ![]() ![]() I4=− ![]() ![]() ![]() ![]() =− ![]() ![]() ![]() sin3xの3倍角公式,2倍角公式を使って変形すると,(#3)と(#4)とは同じ式であることが分かります. ∫sin5x dx=∫ (1−cos2x)2sinx dxから(*1.6)または (2倍角公式を2回)使うことにより ∫sin5x dx=− ![]() ![]() - - - In=− ![]() ![]() により, I1→I3→I5→...の順に求めるときは, I1=∫sin1x dx=−cosx+C I3=− ![]() ![]() を使って ∫sin5x dx=− ![]() ![]() ![]() …(#6) となります.(#5)と(#6)は,sin2x=1−cos2xを使って変形すると,同じ式であることが分かります. |
(*1.6)← ∫ f(cosx)sinx dx→cosx=tとおいて置換積分すると ![]() ∫ f(cosx)sinx dx=∫ f(t)sinx ![]() =−F(t)+C=−F(cosx)+Cのようにf(t)の不定積分を求める問題となります. [例] cosx≧0の区間で ∫ ![]() =−∫ ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ∫cos4xsinx dx=∫ t4sinx ![]() =− ![]() ∫sin2n+1x dx=∫sin2nxsinx dx=∫ (1−cos2x)nsinx dx 一般に ∫cosnxsinx dx=− ![]() (注)← 0<k<1のとき ∫ ![]() ![]() ![]() の形をした不定積分は,各々第1種及び第2種楕円積分と呼ばれ,初等的には求められないことが知られています.(定積分は数値積分により近似値を求めることができます.) (*1.7)← In=∫sinnx dx=∫sinn−1xsinx dxとして部分積分を行う
In=sinn−1x(−cosx)−∫ (n−1)sinn−2xcosx(−cosx)dx =−sinn−1xcosx+(n−1)∫sinn−2xcos2x dx =−sinn−1xcosx+(n−1)∫sinn−2x(1−sin2x)dx =−sinn−1xcosx+(n−1)(∫sinn−2x dx−∫sinnx dx) In=−sinn−1xcosx+(n−1)(In−2−In ) nIn=−sinn−1xcosx+(n−1)In−2 In=− ![]() ![]() (*1.8)← ∫ ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() =∫ ![]() ![]() ![]() ![]() (*1.6)を用ると次のように計算できます. ∫ ![]() ![]() ![]() cosx=tとおいて置換積分すると ![]() I=∫ ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() = ![]() ![]() ![]() = ![]() ![]() ![]() ![]() (*1.9)← ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() =− ![]() |
(*1.10)← (*1.6)を使った置換積分になります. [例] ∫ ![]() ![]() ![]() ![]() (部分分数分解を行う) とおき,展開整理して係数比較を行うことにより
なお,
なお,
(*1.11)←次の部分積分を行います.
=−xcosx+∫cosx dx=−xcosx+sinx+C (*1.12)← 部分積分を2回行います.
=−x2cosx+2∫ xcosx dx=Iとおく
I=−x2cosx+2xsinx+2cosx+C (*1.13)← nが小さな整数の場合は,(*1.11)(*1.12)のようにxnを微分する側に選んで,それが定数になるまで部分積分を行うとできますが,nが大きい整数であるときは,次のような漸化式を作って,Inを順に求めて行くことができます. In=∫ xnsinx dxとおく(n≧2)
=−xncosx−∫ nxn−1(−cosx)dx =−xncosx+n∫ xn−1cosx dx
=−xncosx+nxn−1sinx−n(n−1)In−2 これにより,
I0=−cosx+C→I2→I4→...の順に求めます.
(*1.14)←I1=−xcosx+sinx+C→I3→I5→...の順に求めます. 部分積分を2回行い「方程式のように解きます」. I=∫ exsinx dxとおく
=−excosx−∫ ex(−cosx)dx=exsinx+∫ excosx dx
I=−excosx+exsinx−I 2I=−excosx+exsinxだから I= ![]() |
(*1.15)(*1.16)← 係数に注意すれば(*1.14)と同様の方法で求められます. a, b≠0のとき,I=∫ eaxsinbx dxを求めてみると
=− ![]() ![]()
![]() ![]() ![]() ![]() =− ![]() ![]() ![]()
b2I=−beaxcosbx+aeaxsinbx−a2I
したがって(a2+b2)I=−beaxcosbx+aeaxsinbx I= ![]() ∫ eaxsinbx dx= ![]() この式でa=2, b=3とおけば(*1.15),a=−1, b=1とおけば(*1.16)になります. (*1.17)← (x+sinx)’=1+cosxだから ∫ ![]() ![]() (*1.18)← (1+sin2x)’=2sinxcosx=sin2xだから ∫ ![]() ![]() (*1.19)← (tanx)’= ![]() ∫ ![]() ![]() (*1.20)← tanαの2倍角公式:tan2α= ![]() ![]() tanx= ![]() また,cosαの2倍角公式:cos2α=2cos2α−1と三角関数の相互関係: sin2α+cos2α=1 → 1+tan2α= ![]() ![]() ![]() となるから cosx= ![]() sinx=tanxcosxだから sinx= ![]() ![]() ![]() ![]() ので,sinx, cosx, tanxを含んだ式tan ![]() となります.(他の方法では不定積分が求められないときでも,この方法で求められます.ただし,他の方法でも求められるような問題にこの方法を使うと,途中経過が煩雑となって,かえって困ってしまうことがありますので,何でもこれでやればよいという訳ではないことに注意) [例]
∫
[よくない例]![]()
tan
I=∫![]() sinx= ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() dx= ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() = ![]() ![]() 「これを使えば三角関数の不定積分はほとんどできる」というのを真に受けると,次のような簡単な問題でもできるはずですが・・・気の遠くなるような長い答案になります.
∫sinx dx
tan ![]() ![]() ![]() ∫sinx dx=∫ ![]() ![]() ![]() t2+1=sとおけば, ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() =− ![]() ![]() ![]() =−2( ![]() ここで,−1+C=C’とおくと ∫sinx dx=−cosx+C’ となります.(準備も後始末も大変で,もうこりごり#) なお,この種の問題に広く使える訳ではないが,この問題についてだけ使える変形として,次の答案が考えられる. ∫ ![]() ![]() ![]() =∫ ![]() ![]() ![]()
第2項はcosx=tとおいて置換積分する.
(#7)と(#8)の関数の部分はそのままでは一致しない.∫ ![]() ![]() ![]() =t−1+C= ![]() tanx+ ![]() ![]() ![]() ![]() = ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 任意定数をC=C’−1とすると,等しくなります. |
以下の問題は,この頁のどこかに書かれている内容か,または,それを少しだけ変形したものです.正しい番号を選択してください.
…(*1.2)
→3
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…(*1.6)
→2
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…(*1.11)
→4
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[問題4]
次の不定積分を求めてください. ∫ ![]() 1log|x+sinx|+C 2log|1+cosx|+C 3log| ![]() ![]() 解説
…(*1.17)
→1
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…(*1.3)の解説にある別表記参照
→4
|
…(*1.8)の解説にある別表記参照
→3
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[問題7]
In=∫ xnsinx dx (n≧2)とおくとき,次のどの漸化式が 成り立ちますか. 1In=− ![]() ![]() 2In= ![]() ![]() 3In=−xncosx+nxn−1sinx−n(n−1)In−2 4In= ![]() 解説
…(*1.13)の解説参照
→3
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[問題8]
次の不定積分を求めてください. ∫ e−xsinx dx 1 ![]() 2− ![]() 3 ![]() 4− ![]() 解説
…(*1.16)の解説参照
→2
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…(*1.9)の解説参照
→1
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…(*1.20)の解説(#8)参照
∫ ![]() ![]() ![]() =∫ ![]() ![]() ![]()
第2項はcosx=tとおいて置換積分する.
∫ ![]() ![]() ![]() =t−1+C= ![]() →3
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