10 乗を展開せずに済ませる〜定積分と漸化式(ウォリス積分)
を、次数下げで求めるのは現実的でない。 乗を展開する手間が大きすぎる。
代わりに、 乗の積分と 乗の積分を結ぶ式を作る。部分積分を 1 回当てるだけで出てくる[1]。
あとは と から 2 つずつ飛ばして上っていけばよい。ウォリス積分と呼ばれる形である。
漸化式を作る
を と の積と見て、 のほうを積分側に置く[2]。
境界項は消える。上端では 、下端では だからである。
残った積分の を に直す。ここで が戻ってくる。
について解く。移項して で割るだけ。
出発点の 2 つ
と は直接計算できる。
漸化式は 2 つ飛ばしなので、偶数の列と奇数の列が別々に伸びる。 が出るのは偶数の側だけになる。
値を並べる
漸化式を順に当てると、次のように決まっていく。
| 偶数の列 | 奇数の列 | |
|---|---|---|
のように、前の値に分数を掛けるだけで進む。
例 1: を求める
乗を展開する必要がない。分数を 3 つ掛けるだけで済む。
例 2: を求める
奇数の側には が出ない。出発点の に が入っていないためである。
cos でも同じ値になる
と置換すると、 になり区間も同じ に戻るためである。
では と が鏡写しになっている。片方の結果がそのまま使える。
が大きくなるほど山が右へ寄って細くなる。 の部分が累乗で急に小さくなるためである。
指数関数でも漸化式が作れる
同じ手が他の形にも効く。 を考える。
、 として部分積分する。
こちらは 1 つ飛ばしではなく、1 つずつ下りる。出発点は である。
例 3: を求める
順に計算する。
である。 の原始関数を求めなくても、3 段で値が出た。
tan の累乗でも作れる
には、部分積分を使わない漸化式がある。
と書き直す[3]。
前半は の置換で出る。符号がマイナスなので、偶数段と奇数段で交互に符号が変わる。

漸化式を作る手順
乗を 乗と 1 つに分ける
部分積分または恒等式で書きかえる
が戻ってきたら移項する
出発点を直接計算する
が右辺に戻ってくるところが鍵になる。戻ってこなければ、そのまま次数の下がった積分として使えばよい。
漸化式が作れるのは、 乗の積分が 乗や 乗の積分と結びつくときである。部分積分で次数が 1 下がる構造を使っている。
出発点さえ計算できれば、あとは何乗でも掛け算で届く。展開する必要がなくなる。
例 4: を求める
偶数なので から上る。
分子は奇数の積 、分母は偶数の積 である。約分して となり、 を掛けて上の値になる。
乗を展開する道と比べれば、手間の差は歴然としている。











