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積分を未知数と見て解く〜e^x sin x と部分積分

に部分積分を当てると が残る。もう一度当てると、こんどは最初の積分がそのまま戻ってくる。

繰り返しても簡単にならない。ところが、戻ってきた積分を未知数と見て方程式を解けば答えが出る[1]

多項式のときは次数が下がって終わったが、こちらは下がらない。代わりに、堂々巡りそのものを利用する。

なぜ戻ってくるのか

は微分しても積分しても形が変わらない。 は 2 回微分すると符号だけ変わって戻る。

どちらの因子も、2 回の操作で出発点に帰ってくる。だから積分全体も 2 回で一周する。

2 回当てて方程式にする

と置く。 を積分側に固定して 2 回当てる。

1 回目は とする。

2 回目は に当てる。 なので である。

を消すと についての方程式になる。

移項して で割るだけ。積分記号が両辺に出てくる形を、そのまま連立方程式として扱っている[3]

例 1:

に、求めた を代入する。

版と 版で、括弧の中の符号だけが違う。

一般の形

も同じ手順で解ける。分母に が出る[2]

を入れると、分母が になって前の答えに戻る。

例 2:

なので である。

公式を覚えなくても、その場で 2 回部分積分すれば同じ式が出る。試験では導けるほうが安全になる。

例 3:

である。

が負でも式はそのまま使える。

例 4:

原始関数に代入する。 である。

なので、値はおよそ になる。

例 5:

赤い曲線の高さの差が、青い面積になっている。原始関数と定積分の関係が 1 枚に収まっている。

途中で選び方を変えないこと

2 回目の部分積分では、1 回目と同じ側を微分側に置く。 を積分側に固定したまま進める。

途中で入れかえると、部分積分の式をそのまま逆にたどることになり、 という当たり前の式に落ちる。

同じ側を保つ

を積分側に固定。2 回目で が戻り、方程式が立つ

途中で入れかえる

もとの式へ引き返すだけ。 となって何も出ない

参考文献

Integration by parts. Wikipedia(英語).
Lists of integrals. Wikipedia(英語).
Paul Dawkins. *Integration by Parts*. Paul's Online Notes, Lamar University.
$\int e^x \sin x\,dx$ は部分積分を 2 回当てても簡単になりません。もとの積分がそっくり戻ってきます。そこで戻ってきたものを未知数と見て、移項して $2$ で割る。$e^x$ は微分しても変わらず、$\sin x$ は $2$ 回で符号だけ変えて戻るので、必ず一周する仕組みです。$e^{ax}\sin bx$ の分母が $a^2+b^2$ になる理由、途中で微分側を入れかえると $0 = 0$ に落ちる事情まで扱います。