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積分記号の中に x があるとき(定積分で表された関数)

積分記号の中に が現れる問題は、2 つの型に分かれる。見分けがつけば、あとは決まった手順で進む。

上端と下端が定数なら、その積分はただの数である。文字で置いて方程式を作る。

上端に が入っていれば、 の関数になる。微分すると被積分関数がそのまま出てくる[1]

積分してから微分すると、もとに戻る。微積分学の基本定理と呼ばれる関係である。

2 つの型を見分ける

積分変数には を使う。 を両方に使うと、定数として扱う部分と変数として扱う部分が混ざる。

型 A:端が定数なら数と置く

が決まれば数である。まだ が分かっていなくても、 と置いてしまえばよい。

そのあと を含む形で書き、もう一度積分して の方程式を作る。

例 1:

と置く。すると である。

これを の式に代入し直す。

確かめる。 で、 と一致した。

例 2:積分の中に が掛かる場合

置くのは である。積分全体をひとかたまりと見る。

を代入する。

より である。

型 B:上端に があれば微分する

の関数である。 を大きくすると面積が増えていく。

増える速さが に等しい。高さ の薄い帯が右に足されていくためである。

上の曲線が軸を切る 点で、下の曲線が山と谷になる。 という関係が、そのまま増減の対応として出ている。

例 3:極値を求める

微分すると である。

で正、 で負、 で正。したがって で極大、 で極小になる。

積分を実行して値を出す。

増減だけなら積分せずに分かる。値が要るときだけ積分すればよい。

上端が の関数のとき

上端が なら、合成関数の微分がそのまま効く[1]

を掛け忘れると答えがずれる。上端が単なる のときは なので、掛けても変わらない。

例 4:上端が

を使った。 を掛けるところが要点になる。

例 5: と定数を同時に求める

両辺を で微分する。左辺は になる。

を求めるには、 を代入する。左辺は積分区間の幅が なので である。

または となる。微分で を、代入で を出す。この 2 手が定石になる。

上端と下端が同じなら、積分は である。 を使って、未知の定数を決めるところが型 B の後半になる。

微分だけでは が消えてしまう。代入をもう 1 手加えて初めて決まる。

例 6:積分の中に が掛かる場合

両辺を微分する。左辺は になる。右辺は積の微分である。

で割る。

被積分関数がまるごと出てくるので、 に変わる。

例 7:極限として現れる形

と置くと である。式は次の形に読める。

これは微分係数の定義そのものである。 なので、答えは

の原始関数は初等関数では書けない[2]。それでもこの極限は求まる。積分を実行せずに済ませられる形になっている。

赤い線が に近づいていく。狭い区間での平均が、その点での値に一致するという事実が見える。

手順のまとめ

見分け手順
を含む端が定数 と置いて方程式
上端が 微分して
上端が の式微分して
定数 が未知微分と の代入

参考文献

Fundamental theorem of calculus. Wikipedia(英語).
Antiderivative. Wikipedia(英語).
上端と下端が定数なら、その積分はただの数です。$k$ と置いて方程式を作る。上端に $x$ があれば $x$ の関数になり、微分すると被積分関数がそのまま出てきます。上端が $g(x)$ なら $g'(x)$ を掛ける。$\int_a^x f(t)dt$ が式に等しいときは、微分して $f$ を出し、$x = a$ を代入して $a$ を決める $2$ 手が定石です。$e^{t^2}$ のように原始関数が書けない場合でも極限が求まる例まで扱います。