置換積分

合成関数の微分を逆向きに使うのが置換積分です12x1+x2dx\int \dfrac{2x}{1 + x^2}\,dx で確かめます。

分母を置きかえる

t=1+x2t = 1 + x^2 とすると dtdx=2x\dfrac{dt}{dx} = 2x、つまり dt=2xdxdt = 2x\,dx です。分子の 2xdx2x\,dx がそのまま dtdt に置きかわります。

2x1+x2dx=dtt=logt=log(1+x2)+C\int \frac{2x}{1 + x^2}\,dx = \int \frac{dt}{t} = \log|t| = \log\left( 1 + x^2 \right) + C

微分して確かめると、連鎖律から {log(1+x2)}=11+x22x\left\{ \log\left( 1 + x^2 \right) \right\}' = \dfrac{1}{1 + x^2} \cdot 2x で、もとの関数に戻ります。

定積分では区間も置きかえる

xx00 から 11 まで動くとき tt11 から 22 まで動きます。

012x1+x2dx=12dtt=log20.693\int_0^1 \frac{2x}{1 + x^2}\,dx = \int_1^2 \frac{dt}{t} = \log 2 \approx 0.693

区間を tt の側に直してしまえば、xx に戻す必要はありません。

当てはまる形

うまくいく形は限られています。被積分関数が g(h(x))h(x)g(h(x)) \cdot h'(x) の形、つまり内側の関数の微分が掛かっている形のときだけです。

積分置きかえ結果
2x1+x2dx\int \dfrac{2x}{1+x^2}dxt=1+x2t = 1+x^2log(1+x2)\log(1+x^2)
sin2xcosxdx\int \sin^2 x \cos x\,dxt=sinxt = \sin xsin3x3\dfrac{\sin^3 x}{3}
2xcos(x2)dx\int 2x\cos(x^2)dxt=x2t = x^2sin(x2)\sin(x^2)

係数が合わないときは定数で調整します。x1+x2dx\int \dfrac{x}{1 + x^2}\,dx なら 12log(1+x2)\dfrac{1}{2}\log\left( 1 + x^2 \right) です。足りない 22 を外に出すだけで済みます。

逆向きに置く

置換の向きを逆にする使い方もあります。011x2dx\int_0^1 \sqrt{1 - x^2}\,dx では x=sinθx = \sin\theta と置いて dx=cosθdθdx = \cos\theta\,d\theta とします。

0π/2cos2θdθ=π4\int_0^{\pi/2} \cos^2\theta\,d\theta = \frac{\pi}{4}

四分円の面積と一致します。根号を三角関数で消すこの型は、円や楕円に関わる積分でくり返し使われます。

グラフの山なりの曲線が y=2x1+x2y = \dfrac{2x}{1 + x^2}、増え続ける曲線が原始関数 y=log(1+x2)y = \log\left( 1 + x^2 \right) で、大きな点は (1,1)(1, 1)(1,log2)(1, \log 2) です。

  1. Integration by substitution、Wikipedia