定積分の部分積分では、外へ出た fg 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]。
∫abf(x)g′(x)dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x)dx
[fg] 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、f か g が端点で 0 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
u=f、v=g と置くと、[uv]ab 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
f か g が端点で 0 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 0 になる。
| 形 | 端点 | 消える理由 | | [xsinx]0π | 0 と π | sin が両端で 0 |
| [xcosx]0π/2 | π/2 のみ | cos が片端で 0 |
| [x2ex]01 | 0 のみ | x2 が下端で 0 |
| [xlogx]1e | 1 のみ | log が下端で 0 |
sin の絡む形は両端で消えることが多い。sin0=sinπ=0 だからである。
例 1:境界項がまるごと消える
∫0πxcosxdx
f=x、g′=cosx とすると g=sinx である。
=[xsinx]0π−∫0πsinxdx
sin0=0、sinπ=0 なので境界項は 0。残りだけを計算すればよい。
=−[−cosx]0π=−(1+1)=−2
答えが負になる。cosx が後半で負になり、そちらに x の重みが乗るためである。
赤い曲線が b=π 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
∫0π/2xsinxdx=[−xcosx]0π/2+∫0π/2cosxdx
cos2π=0 なので上端が消え、下端も x=0 で消える。境界項は 0 である。
=[sinx]0π/2=1
答えがちょうど 1 になる。
例 3:e−x が掛かる形
∫01xe−xdx
g′=e−x なので g=−e−x である。符号に気をつける。
=[−xe−x]01+∫01e−xdx=−e1+[−e−x]01=−e1+(1−e1)=1−e2
1−e2≈0.264 である。
例 4:log を含む定積分
∫1elogxdx=[xlogx]1e−∫1edx
log1=0 なので下端が消える。上端は e⋅1=e である。
=e−(e−1)=1
例 5:xlog(x+1)
f=log(x+1)、g′=x とする。g=2x2 である。
∫01xlog(x+1)dx=[2x2log(x+1)]01−21∫01x+1x2dx
境界項は 2log2 になる。残った積分は有理関数なので、割り算で処理する。
x+1x2=x−1+x+11
∫01x+1x2dx=[2x2−x+log(x+1)]01=log2−21
代入して整理する。
=2log2−21(log2−21)=41
log2 が打ち消し合い、答えが 41 という素朴な数になる。
境界項に現れた log2 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
∫01x2exdx=[x2ex]01−2∫01xexdx
境界項は e である。残った積分は 1 回目の結果から 1 と分かっている。
=e−2⋅1=e−2
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
∫0π/2exsinxdx
原始関数は 2ex(sinx−cosx) である。代入する。
=2eπ/2(1−0)−21⋅(0−1)=2eπ/2+1
端の値を先に見ておく
計算に入る前に、f と g の端での値を確かめておく。0 になる箇所があれば、そのぶん計算が減る。
[0,π] の区間で g=sinx なら両端が消え、[0,2π] で g=−cosx 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
Paul Dawkins. *Integration by Parts*. Paul's Online Notes, Lamar University.
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。