積分法

特殊な置換積分②

積分法の「特殊な置換積分②」を、答えを先に押さえてから理解できる形に整理したページです。学習の流れを短く確認できます。

数学Ⅲ 約6分 難易度 1

このページのまとめ

先に押さえておくこと

特殊な置換積分②の要点をまとめたページです。先に答えを確認してから、解き方とつまずきやすい点を順にたどれます。

答えの要点

積分法の答えと条件を先に確認できます。

  • テーマ: 特殊な置換積分②
  • ポイント: 積分法の基礎を短く確認しやすく、検索から入ってもそのまま理解まで進めやすい記事です。
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問題

次の定積分を求めよ。

∫0214+x2dx\int_0^2 \frac{1}{4+x^2}dx

答えを見る

∫0214+x2dx=π8‾\int_0^2 \frac{1}{4+x^2}dx = \underline{\frac{\pi}{8}}

解説

置換積分の問題を解説します。

特殊な置換積分①では、a2−x2\sqrt{a^2-x^2}の形の関数が被積分関数に入っている積分ではx=asin⁡θx=a\sin\thetaと置換して考えていく解法を紹介しました。

それに加えもう1つおさえておきたい置換積分の問題があります。

それでは実際に例題を解説していきます。

次の定積分を求めよ。

∫0214+x2dx\int_0^2 \frac{1}{4+x^2}dx

1a2+x2\frac{1}{a^2+x^2}を含む積分になっていますね。a=2a=2なので、x=2tan⁡θ  (−π2≦θ≦π2)x=2\tan\theta\; \left(-\frac{\pi}{2}\leqq \theta \leqq \frac{\pi}{2}\right)と置換して考えていきます。

x=2tan⁡θx=2\tan\thetaの両辺をθ\thetaで微分して整理すると、dx=2cos⁡2θdθdx=\frac{2}{\cos^2 \theta}d \thetaとなります。

また、積分範囲は変数がxxのときは0→20 \to 2だったためx=2tan⁡θx=2\tan\thetaにx=0,x=2x=0,x=2をそれぞれ代入して解くことにより、変数がθ\thetaのときの積分区間は0→π40 \to \frac{\pi}{4}となります。

よって、∫0214+x2dx\int_0^2 \frac{1}{4+x^2}dx =∫0π414+4tan⁡2θ⋅2cos⁡2θdθ= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{4+4\tan^2\theta}\cdot\frac{2}{\cos^2 \theta }d\thetaを計算すれば良いですね。

∫0π414+4tan⁡2θ⋅2cos⁡2θdθ\int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{4+4\tan^2\theta}\cdot\frac{2}{\cos^2 \theta }d\theta =∫0π414(1+tan⁡2θ)⋅2cos⁡2θdθ= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{4(1+\tan^2\theta)}\cdot\frac{2}{\cos^2 \theta }d\thetaとでき、三角関数の相互関係である1+tan⁡2θ=1cos⁡2θ{1+\tan^2\theta}=\frac{1}{\cos^2\theta}を用いると∫0π4cos⁡2θ4⋅2cos⁡2θdθ\int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{\cos^2\theta}{4}\cdot\frac{2}{\cos^2 \theta }d\theta =∫0π412dθ=\int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{2}d\thetaとなります。

これを計算して求める答えはπ8‾\underline{\frac{\pi}{8}}です。

このページのまとめ

ここでは置換積分の問題を解説しました。

この例題のような特殊な置換積分をしないと計算できない定積分の問題は頻出です。

解法を覚えておいて、いつでも正確に答えを求められるように練習しておきましょう!

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