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English

部分積分の u の決め方(対数・多項式・指数のどれを微分するか)

と置けば、次の積分は になって終わります。逆に と置くと が残り、次数が上がってしまう。

部分積分は という書きかえです[1]。式の形は選び方によらず、残る積分が簡単になるかどうかだけが変わります。

以下は 問です。多項式と指数から始め、対数と逆三角、循環して連立になる型、表で繰り返す方法、漸化式まで並べました。

公式と、選び方の目安

積の微分 を積分して移項すると導けます[1]

に選ぶのは、微分すると簡単になるほうです。目安として、対数・逆三角・多項式・三角・指数の順で優先します[2]

対数関数。微分すると になり、代数式に落ちます。
逆三角関数。微分すると有理式になります。
多項式。微分するたび次数が下がります。
三角関数。微分しても複雑になりません。
指数関数。積分しても形が変わらないので 向きです。

先に来るほうを 、あとに来るほうを にします。絶対の規則ではありませんが、迷ったときの出発点になる。

問題 1:多項式と指数

を計算せよ。

解答 1

と置きます。 です。

多項式を にすると微分で次数が下がり、 回で消えます。

問題 2:多項式と三角関数

を計算せよ。

解答 2

です。 になります。

の符号を落とすと答えが反転します。 の原始関数は です。

問題 3:2 回繰り返す

を計算せよ。

解答 3

と置くと 回で に落ちます。

問題 の結果を入れます。

なら 回で終わります。多項式が有限回で消えるからです。

問題 4:表にして繰り返す

を表を使って計算せよ。

解答 4

左の列に の微分、右の列に の積分を並べ、斜めにかけて符号を交互につけます[1]

微分の列積分の列符号

斜めにかけて足します。

左の列が になったところで止まります。 回ぶんの部分積分が 枚の表で済みました。

問題 5:対数

を計算せよ。

解答 5

積の形に見えませんが、 と置けます。 です。

をかけていると見れば、単独の関数でも部分積分が使えます[3]

問題 6:逆三角関数

を計算せよ。

解答 6

同じく です。 になります。

残った積分は の形で、置換で片づきます。

問題 7:対数の 2 乗

を計算せよ。

解答 7

です。 になります。

問題 の結果を入れます。

対数の次数が ずつ下がります。 なら 回で終わる。

問題 8:循環して連立になる型

を計算せよ。

解答 8

と置いて 回部分積分します。 回目は です。

回目も同じ向きで選びます。ここで向きを変えるともとに戻ってしまう。

について解きます。

回で元の積分が現れる型です[3]。移項して割る、という代数の操作で終わります。

問題 9:正割の 3 乗

を計算せよ。

解答 9

です。 になります。

で書き直すと、もとの積分が現れます。

から までの定積分は です。循環型に恒等式を挟む形になっています。

問題 10:定積分

を計算せよ。

解答 10

です。定積分では の部分も範囲を入れます[4]

の値を入れ忘れる誤りが多いところです。 になるからといって省略しないほうが安全になります。

問題 11:ウォリスの漸化式

の漸化式を導け。

解答 11

と置きます。

項は両端とも です。 で書き直します。

から順に決まります。 です。

偶数番目に が残り、奇数番目には残りません。数値で確かめると になります。

問題 12:多項式と逆三角の積

を計算せよ。

解答 12

目安では逆三角が多項式より先なので、 です。 になります。

残った積分は と分けます。

から までの定積分は です。

問題 13:3 通りで解いて突き合わせる

通りで計算し、答えが一致することを確かめよ。

解答 13

置換なら です。

部分積分なら として循環型になり、同じ形になります。

倍角の公式なら で、 です。

つは定数の差だけ違います。 を使うと になる。

不定積分の答えが見た目で違っても、差が定数なら同じです。突き合わせるときは微分して確かめます。

問題 14:ベータ積分の漸化式

について、 下げる漸化式を導け。

解答 14

と置きます。 です。

なら第 項は両端で です。

繰り返して まで下げると閉じた形になります。

これはベータ関数 にあたります[5]。標準の定義では指数が ずつ小さく書かれるので、添字が ずつずれます。

です。数値積分と一致します。

問題 15:進まない選び方

と置くとどうなるか。

解答 15

なので です。

残った積分は次数が 上がっています。もう 回やれば になり、際限がありません。

式としては正しく、誤りではありません。等式は成り立っていて、ただ進まないだけです。

回やって次数が上がったら、選び方を入れかえます。損はしません。

つまずきやすいところ

公式より、選び方と符号で誤ります。

の符号を落とす

の原始関数は です。 を積分するときに符号が入ります。

定積分で の値を入れ忘れる

を先に書いてから残りの積分に進みます。

循環型で 回目の向きを変える

回目と同じ側を にします。変えるともとの式に戻ります。

移項したあとに で割り忘れる

の形になっているかを確かめます。

表の停止位置をまちがえる

左の列が になった行まで書きます。多項式でないと止まりません。

に選ぶべきものはどれですか。

  • どちらでも手数は変わらない
__RESULT__

対数が多項式より先です。 を微分すると になり、残る積分が という多項式に落ちます。逆にすると対数が残ったままになります。

を選んだら を書き出してから代入する。この順序を崩さなければ、符号の誤りはほぼ消えます。

参考文献

Oliver Knill. Integration by parts, Math 1A: Introduction to Functions and Calculus. Harvard University, 2011.
Integration by Parts, Math 2300 Calculus II. University of Colorado Boulder.
Berechnung von Integralen, Analysis I. Universität Freiburg.
Intégrales, Analyse — Cours de mathématiques première année. Exo7.
Beta function, Digital Library of Mathematical Functions §5.12. NIST.
$\int xe^x dx$ で $u=x$ と置けば次は $\int e^x dx$ で終わりますが、逆にすると次数が上がって進みません。式はどちらも正しく、残る積分だけが変わる。$15$ 問で、対数・逆三角・多項式・三角・指数の優先順、$x^3\sin x$ を表で $1$ 枚に片づける方法、$e^x\sin x$ や $\sec^3 x$ のように $2$ 回で元へ戻って連立になる型を扱いました。ウォリスの漸化式で $\sin^n$ の定積分を下げる手順、ベータ積分の漸化式まで。同じ積分を $3$ 通りで解き、定数の差だけで一致することも確かめます。