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English

「見えない 1」を書き足して解く log x の積分

の積分は、公式を探しても見つからない。微分の公式に になるものがないからである。

打つ手は 1 つ。 と見て、 のほうを積分側に回す。掛けても値の変わらない を、部分積分の相手として使う[1]

を微分すると になり、 と打ち消し合って定数の積分に落ちる。この一手で片づく。

「1 を掛ける」

とする。 である。

になるところが要である。 の微分が分数を作り、 がそれを消す。

微分して確かめる。 となり、もとに戻る。

なぜ log を微分側に置くのか

を微分すると になる。対数が消えて、扱いやすい分数式に変わる。

逆に を積分側へ置くと、 が中に入ってさらに複雑になる。積分したい相手が積分の中で増えてしまう。

が掛かっている積分では、いつでも が微分側になる[2]。迷う余地がない[3]

例 1:

とする。 である。

が約分して になる。1 回で終わる。

例 2:

同じ手順で一般の次数も出る。 とする。

第 2 項の分母が 2 乗になる。 を入れると に戻り、 で例 1 に一致する。

例 3:

なので である。

符号が 2 回変わる。 が負の形なので、引き算の前の符号に気をつけて進める。

例 4:

が 2 乗なので、部分積分を 2 回使う。1 回目は とする。

残った積分は最初に求めたものである。代入して終わる。

の指数が 1 ずつ下がる。多項式の次数が下がるのと同じ構造になっている。

例 5:中身が 1 次式

対数の性質で分けると速い。 である。

は定数なので、そのまま が掛かる。まとめ直すと、もとの形に が付いただけになる。

例 6:

とする。 である。

残った積分は、分子を分母で割って処理する。 である。

最後の積分は の置換に回る。定積分ならここまでで値が出せる。

例 7:

原始関数に代入する。 である。

が打ち消し合って、答えはちょうど になる。

例 8:

手順のまとめ

微分側積分側

積分側はいつでも 以外の因子になる。 しかなければ を書き足す。

が掛かった積分では、 を微分側に置くと決めておけばよい。微分して になり、対数がその場で消えるためである。

しかない場合は を掛けて相手を作る。この「見えない 1」が部分積分の入口になる。

参考文献

Integration by parts. Wikipedia(英語).
Natural logarithm. Wikipedia(英語).
Paul Dawkins. *Integration by Parts*. Paul's Online Notes, Lamar University.
$\log x$ を微分して得られる関数はないので、公式を探しても見つかりません。$\log x = 1 \times \log x$ と見て、$1$ を積分側へ回す。$\log$ を微分すると $\dfrac{1}{x}$ になり、$g = x$ と約分して定数の積分に落ちます。だから $\log$ が掛かった積分では、いつでも $\log$ が微分側。$x^n\log x$、$\dfrac{\log x}{x^2}$、$(\log x)^2$、$\log(x^2+1)$ まで 8 通りの計算例を並べました。