∫012x(x2+1)3dx を計算したいとしよう。(x2+1)3 を展開して項ごとに積分することは可能だが面倒である。重要な観察は 2x が正確に x2+1 の導関数であるから、被積分関数は φ(t)=t2+1 と f(x)=x3 で f(φ(t))φ′(t) の形を持つ。変数変換(置換)ルールは、積分の変数を置き換えることができることを述べる。∫12x3dx を得られる。これは直接的である。このチェックポイントはその操作を正確にしてそれを証明する。
形式的陳述
φ:[α,β]→R を連続微分可能(つまり φ∈C1[α,β])で、φ([α,β])⊆[a,b] であるとする。f:[a,b]→R を連続とする。そうするなら
∫αβf(φ(t))φ′(t)dt=∫φ(α)φ(β)f(x)dx.
が成り立つ。
右での限度は φ(α) と φ(β) であり、必ずしも a と b ではないことに注意。φ は単射である必要がない。唯一の要件は、φ が [α,β] を [a,b] に写し、φ が C1 で、f が連続であることである。
チェーンルール経由の証明
f は [a,b] で連続であるから、ニュートン—ライプニッツの公式により、F′(x)=f(x) をすべての x∈[a,b] で満たすような原始関数 F が存在する。
合成関数 H(t):=F(φ(t)) を考える。チェーンルールにより、
H′(t)=F′(φ(t))φ′(t)=f(φ(t))φ′(t).
φ は C1 で f は連続であるから、積 f(φ(t))φ′(t) は [α,β] で連続であるから、H は [α,β] 上で f(φ(t))φ′(t) の原始関数である。左辺にニュートン—ライプニッツを適用する:
∫αβf(φ(t))φ′(t)dt=H(β)−H(α)=F(φ(β))−F(φ(α)).
右辺にニュートン—ライプニッツを適用する:
∫φ(α)φ(β)f(x)dx=F(φ(β))−F(φ(α)).
両辺は等しい。□
ニュートン—ライプニッツとチェーンルールを持つと、証明は驚くほど短い。置換ルールの全体の内容は、原始関数を含む合成に適用されたチェーンルールそのものである。
不定積分形式と「戻す」ステップ
不定積分については、変数変換ルールは形式をとる
∫f(φ(t))φ′(t)dt=∫f(x)dxx=φ(t)=F(φ(t))+C,
ここで F は f の原始関数である。実際には、置換 x=φ(t)、dx=φ′(t)dt を実行し、新しい変数で ∫f(x)dx を評価して F(x)+C を得て、次にx=φ(t) で元の変数で答えを表現するために戻す。
定義積分の場合、戻す必要がない。限度は直接変換されるから。t=α は下限 x=φ(α) を与え、t=β は上限 x=φ(β) を与える。
置換パターン
線形置換
ax+b を含む積分については、x=φ(t)=at+b と設定するから、φ′(t)=a で dx=adt である。これは
∫f(ax+b)dx=a1∫f(u)duu=ax+b.
を与える。
例えば、∫e2x+3dx=21e2x+3+C。
三角置換
被積分関数が a2−x2 を含むとき、x=asinθ (θ∈[−π/2,π/2])と設定する。次に
a2−x2=a2−a2sin2θ=acosθ(cosθ≥0 だから),
そして dx=acosθdθ。根号は完全に除去される。
同様に、a2+x2 については x=atanθ を使用し、x2−a2 については x=a/cosθ=asecθ を使用する。
逆置換(t-置換)
時々、新しい変数の明示的な関数として x=φ(t) を設定するのがより自然である — 例えば、式を有理化したり有理被積分関数を扱ったりするため。φ が C1 で範囲条件が満たされる限り、同じ公式は役割が入れ替わった状態で適用される。t の積分を計算して、必要に応じて t=φ−1(x) で戻す。
計算例
例1:∫012x(x2+1)3dx
u=x2+1 と設定するから、du=2xdx。x=0 のときは u=1;x=1 のときは u=2。積分は
∫012x(x2+1)3dx=∫12u3du=[4u4]12=416−41=415.
に変換される。
例2:∫011−x2dx
これは単位円の四分の一の面積であり、これが π/4 であることを既に知っている。三角置換を使ってこれを確認しよう。x=sinθ と設定するから、dx=cosθdθ で 1−x2=cosθ。x=0 のときは θ=0;x=1 のときは θ=π/2。積分は
∫0π/2cosθ⋅cosθdθ=∫0π/2cos2θdθ.
となる。
二倍角恒等式 cos2θ=21+cos2θ を使用すると:
∫0π/221+cos2θdθ=[2θ+4sin2θ]0π/2=2π/2+4sinπ−0=4π.
例3:∫1+exdx
u=ex と設定するから、du=exdx=udx、したがって dx=udu。代入すると:
∫1+exdx=∫1+u1⋅udu=∫u(1+u)du.
部分分数:u(1+u)1=u1−1+u1。積分すると:
∫(u1−1+u1)du=lnu−ln(1+u)+C=ln1+uu+C.
u=ex に戻すと:
∫1+exdx=ln1+exex+C=x−ln(1+ex)+C.
(最後の等式は ln(ex)=x を使用。)
まとめ
- 変数変換定理:φ∈C1[α,β] で φ([α,β])⊆[a,b] で f が [a,b] で連続なら、∫αβf(φ(t))φ′(t)dt=∫φ(α)φ(β)f(x)dx。
- 証明は、チェーンルールを使用して F(φ(t)) を微分し、次に両辺にニュートン—ライプニッツの公式を適用する。
- 定義積分については、限度を直接変換する。t=α↦x=φ(α)、t=β↦x=φ(β);戻す必要がない。
- 不定積分については、∫f(x)dx=F(x)+C を評価した後、元の変数で答えを表現するために x=φ(t) で戻す。
- 線形置換 u=ax+b は最も簡単なケースで、1/a の因子を導入する。
- 三角置換 x=asinθ (または atanθ、asecθ)は二次式の平方根を除去する。
- 逆置換(x=φ(t) を明示的に設定)は、複雑な被積分関数(ex を介して u=ex を含むもの)を有理化できる。