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次数の数だけ繰り返せば必ず終わる - 多項式と指数関数の積分

に部分積分を 1 回当てても、 が残る。まだ積分が残っているが、 の次数は から へ下がった。

もう 1 回当てれば になり、そこで終わる。多項式の次数の数だけ繰り返せば、必ず片づく[1]。

繰り返すたびに次数が 1 ずつ落ちる。この落ち方が見えていれば、何回で終わるかが最初から分かる。

次数が落ちていく

を微分側に置くと、 になる。残る積分の多項式は次数が 1 小さい。

最後は多項式が定数になり、指数関数だけの積分になる。 なら 回で終わる。

右側に緑の項が 1 つずつ積み上がる。4 段そろったときが答えである。

例 1:

1 回目は 、 とする。

残った積分にもう一度当てる。 である。

微分して確かめると になり、もとに戻る。

例 2:

3 回繰り返す。係数は 、、 と階乗の形で増える。

符号が交互になる。 をくくり出すと、括弧の中は次数の下がる多項式になる。

表にすると速い

繰り返しの部分積分は、表を作ると計算が整理できる[3]。左の列を微分し続け、右の列を積分し続ける。

左が になったら止め、斜めに掛けて符号を交互に付けて足す。

表の斜めの線を上から順に読むと、、、、 となる。足せば例 2 の答えと一致する。

三角関数でも同じ

と も、積分するたびに形が循環するだけで複雑にならない。積分側に置ける[2]。

例 3:

なので である。

を使った。符号の管理がいちばん間違えやすいところ。

例 4:

例 5:定積分で計算する

原始関数が分かっているので、代入するだけで済む。

である。

例 6:

例 3 の原始関数に代入する。

、 を使う。答えは になる。

係数のパターン

の答えは、 に多項式が掛かった形になる。係数は階乗から出る。

答えの多項式最後の定数

定数項は である。符号は が偶数なら正、奇数なら負になる。

繰り返しの部分積分では、符号が 1 回ごとに入れかわる。 なら の順に並ぶ。

表で計算すると、この符号を機械的に付けられる。手で追うより間違えにくい。

参考文献

Integration by parts. Wikipedia(英語).
Paul Dawkins. *Integration by Parts*. Paul's Online Notes, Lamar University.
Partielle Integration. Wikipedia(ドイツ語).
$\int x^2 e^x dx$ に部分積分を当てても積分が残りますが、$x$ の次数は $1$ 下がっています。もう一度当てれば指数関数だけになる。$x^n$ なら $n$ 回で必ず片づきます。左の列を微分し続け、右の列を積分し続ける表を作ると、斜めに掛けて符号を交互に付けるだけで答えが出る。$x^2\sin x$ や $x^2\cos x$ も同じ手順です。定数項が $\pm n!$ になるパターンまで、計算例を 6 通り並べました。