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三角関数を分数式に変えてしまう置換(万能置換 t = tan(x/2))

のように、三角関数が分母に入った分数は手がかりがつかみにくい。次数下げも置換も、そのままでは当たらない。

こういうときには の置換が効く。 も も の分数式に化けるので、三角関数の問題が有理関数の問題に変わる[1]。

どんな三角関数の分数式にも当たるので、万能置換と呼ばれる。オイラーが 1768 年の教科書で使っている[1]。

3 つの式を導く

半角の関係から出る。 が出発点になる。

に を入れれば、この形が出る。

2 倍角の公式に代入する。

は の両辺を微分して出す。 である。

円の上で見る

3 つの式には幾何的な意味がある。単位円の点 から引いた直線の傾きが になる。

円周角の定理から、その直線が円と交わる点の中心角は になる。傾き の直線 1 本と、円周上の点 1 つが対応している。

円周角が中心角の半分になるので、直線のなす角は である。傾きが になる理由がこれになる。

例 1:

を で書く。分母が驚くほど簡単になる。

これで積分が計算できる。

答えが置換した そのものになった。微分して確かめると である。

例 2:

こんどは分母が平方になる。

例 3:

分母が だけでも当たる。

の原始関数が になる[3]。この形は覚えておくと速い。

数値がぴたりとそろう。 と が、 の分数式として完全に書けている。

定積分では区間も置きかえる

なら 、 なら である。

定まらない

で が発散する。この点をまたぐ区間では使えない[2]。区間を分けるか、別の手を探す。

例 4:

例 2 の原始関数に代入する。 で である。

答えはちょうど になる。

例 5:

分母を で書く。

ここから先は分母が の形なので、 と置く。 で 、つまり 。

万能置換で有理関数に落とし、そのあと三角置換でしめる。2 段構えになる。

例 6:部分分数分解につながる形

分母を書きかえる。

なので、部分分数分解に回る。

分母の 次式が因数分解できるかどうかで、行き先が三角置換か部分分数分解かに分かれる。

の形

因数分解できない。 の置換へ回る

の形

因数分解できる。部分分数分解へ回る

いつ使うか

万能置換はどんな三角関数の分数式にも当たるが、計算量は多い。まず簡単な手を試すほうが速い。

か の奇数乗があるなら、1 つ抜いて置換する。
分子が分母の微分なら、 の形にする。
のような形は、半角の公式で書き直せることがある。
どれも当たらないときに、万能置換を使う。

最後の手段として持っておく道具になる。使えると分かっていれば、解けないという事態は起きない。

参考文献

Tangent half-angle substitution. Wikipedia(英語).
List of trigonometric identities. Wikipedia(英語).
List of integrals of trigonometric functions. Wikipedia(英語).
$t = \tan\dfrac{x}{2}$ と置くと $\sin x$ も $\cos x$ も $t$ の分数式になり、三角関数の問題が有理関数の問題に変わります。半角の関係 $\cos^2\dfrac{x}{2} = \dfrac{1}{1+t^2}$ から $3$ つの式が出る。単位円で見ると、$(-1,0)$ から引いた直線の傾きが $t$ で、円周角が中心角の半分だから $\tan\dfrac{x}{2}$ になります。$x = \pi$ で $t$ が発散するため、そこをまたぐ区間では使えません。