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English

端の値を先に見ると計算量が読める定積分の部分積分

定積分の部分積分では、外へ出た の部分がその場で数になる。積分記号が 1 つ減り、残りは 1 段やさしい積分だけになる[1]

を境界項と呼ぶ。この項が端点でうまく消えると、計算がぐっと軽くなる。

消えるかどうかは、 が端点で になるかで決まる[3]。積分に入る前に端の値を見ておくと、手間の見積もりが立つ。

境界項は長方形の差

と置くと、 は 2 つの長方形の面積の差にあたる。

上端の長方形から下端の長方形を引いた残りが境界項になる。そこから曲線の下の面積を引けば、求める積分が出る。

境界項が消える形

が端点で になれば、その端の寄与が消える。両端で消えれば境界項がまるごと になる。

端点消える理由
が両端で
のみ が片端で
のみ が下端で
のみ が下端で

の絡む形は両端で消えることが多い。 だからである。

例 1:境界項がまるごと消える

とすると である。

なので境界項は 。残りだけを計算すればよい。

答えが負になる。 が後半で負になり、そちらに の重みが乗るためである。

赤い曲線が で軸に戻る。そこで境界項が消え、答えが残りの積分だけで決まる。

例 2:片端だけ消える

なので上端が消え、下端も で消える。境界項は である。

答えがちょうど になる。

例 3: が掛かる形

なので である。符号に気をつける。

である。

例 4:log を含む定積分

なので下端が消える。上端は である。

例 5:

とする。 である。

境界項は になる。残った積分は有理関数なので、割り算で処理する。

代入して整理する。

が打ち消し合い、答えが という素朴な数になる。

境界項に現れた が、残りの積分にも同じ量だけ現れて打ち消し合う。定積分ではこうした相殺がよく起きる。

途中で複雑な値が出ても、最後まで進めると消えることがある。そこで計算をやめないほうがよい。

例 6:2 回使う

境界項は である。残った積分は 1 回目の結果から と分かっている。

定積分では、途中の積分の値をそのつど数にできる[2]。式を持ち回らずに済むぶん、不定積分より見通しがよい。

例 7:指数と三角の積

原始関数は である。代入する。

端の値を先に見ておく

計算に入る前に、 の端での値を確かめておく。 になる箇所があれば、そのぶん計算が減る。

の区間で なら両端が消え、 なら上端が消える。

問題の区間は、たいていこうした点に合わせて作られている。端の値を見るだけで、出題者の意図が読める。

参考文献

Integration by parts. Wikipedia(英語).
Paul Dawkins. *Integration by Parts*. Paul's Online Notes, Lamar University.
Intégration par parties. Wikipédia(フランス語).
外へ出た $\bigl[fg\bigr]_a^b$ はその場で数になります。この境界項が端点で消えると、計算がぐっと軽くなる。$\sin$ は $0$ と $\pi$ で、$\cos$ は $\dfrac{\pi}{2}$ で軸に触れるので、区間の端がそこに置かれた問題は境界項が $0$ になります。$u$-$v$ 平面では、大きい長方形から小さい長方形を引き、さらに曲線の下を引いた残りが答え。途中で出た $\log 2$ が最後に打ち消し合う例まで扱います。