ニュートン—ライプニッツの公式が理解される前は、定義積分 ∫abf(x)dx を計算することは、リーマン和を形成して極限を取り、その極限が何に等しいかを見つけることを意味した — 新しい被積分関数ごとに最初から実行されるプロセス。公式(微積分の基本定理とも呼ばれる)は、すべてをカットして通す。積分と微分は逆演算であると述べている。したがって ∫abf(x)dx を評価するには、導関数が f である関数を見つけ、端点での値を引くだけでいい。この単一の観察は、極限議論のページを一行の計算に変換する。
定理は論理的に異なる二つの部分を持つ。最初の部分は、変数上限の積分それ自体が微分可能であることを示す。二番目の部分は、任意の原始関数を使って積分を評価する方法を示す。一緒に、初等微積分の最も深い結果を形成する。
第1部:変数上限の積分は原始関数である
f を [a,b] 上で連続とする。f は連続であるから、すべての部分区間で積分可能であり、
F(x):=∫axf(t)dt,x∈[a,b],
は定義されている。F を変数上限の積分と呼び、F は [a,b] のすべての点で微分可能で F′(x)=f(x) であるという主張である。
第1部の証明
x∈(a,b) を固定し、x+h∈[a,b] となるように小さい h=0 をとる。積分の加法性により、
F(x+h)−F(x)=∫ax+hf(t)dt−∫axf(t)dt=∫xx+hf(t)dt.
h で割ると差分商が得られる
hF(x+h)−F(x)=h1∫xx+hf(t)dt.
f は x と x+h の間の区間上で連続であるから、積分に関する平均値定理はある点 ξh が x と x+h の間に存在することを保証して
∫xx+hf(t)dt=f(ξh)⋅h.
戻すと、
hF(x+h)−F(x)=f(ξh).
h→0 のとき、点 ξh は x と x+h の間に押し込まれるから、ξh→x。f の連続性により、
f(ξh)→f(x).
したがって差分商は f(x) に収束し、これは微分可能性の定義そのものである:
F′(x)=f(x).□
同じ議論は片側極限を使って端点 a と b に適用される。第1部は、すべての連続関数が原始関数を持ち、変数上限の積分がその原始関数の例を明示することを述べる。
第2部:任意の原始関数を使って定義積分を評価する
第2部はニュートン—ライプニッツの公式では、G が [a,b] 上 f の任意の原始関数 — つまり、すべての x∈[a,b] で G′(x)=f(x) — なら
∫abf(x)dx=G(b)−G(a).
が成り立つと述べる。
第2部の証明
第1部から、F(x)=∫axf(t)dt が f の原始関数であることを既に知っている。G も f の原始関数であるから、差 G−F は
(G−F)′(x)=G′(x)−F′(x)=f(x)−f(x)=0
をすべての x∈[a,b] で満たす。原始関数は定数だけ異なる定理(ラグランジュの平均値定理から従う)により、区間上で導関数がゼロの関数は定数である。したがってある C∈R が存在して
G(x)=F(x)+Cすべての x∈[a,b]に対して.
両方の端点で評価する。x=a で:
G(a)=F(a)+C=∫aaf(t)dt+C=0+C=C.
x=b で:
G(b)=F(b)+C=∫abf(t)dt+C.
最初の方程式を二番目から引く:
G(b)−G(a)=∫abf(t)dt.□
括弧記号
次のように書くのが標準である
[G(x)]ab:=G(b)−G(a).
この記号は簡潔で、符号の誤りの危険性を軽減する。ニュートン—ライプニッツの公式は、
∫abf(x)dx=[G(x)]ab,
ここで G は f の任意の原始関数である。G に任意の定数を足すことは、結果に影響しない。定数が G(b)−G(a) で相殺されるからである。これが原始関数の選択が重要でない理由である。
計算例
例1:∫01x2dx
f(x)=x2 の原始関数は G(x)=3x3 である。ニュートン—ライプニッツを適用すると:
∫01x2dx=[3x3]01=313−303=31.
例2:∫0πsinxdx
sinx の原始関数は −cosx である。したがって
∫0πsinxdx=[−cosx]0π=(−cosπ)−(−cos0)=1+1=2.
幾何学的には、x 軸より上の正弦曲線の一つのアーチの面積である結果 2 は、満足できるサニティチェックである。
例3:∫1ex1dx
(0,∞) 上で x1 の原始関数は lnx である。したがって
∫1ex1dx=[lnx]1e=lne−ln1=1−0=1.
これは e の幾何学的意味を確認する。これは正確に、y=1/x の下の面積が 1 から e まで 1 に等しい数である。
まとめ
- 第1部(FTC1):f が [a,b] で連続なら、F(x):=∫axf(t)dt は微分可能で F′(x)=f(x)。特に、すべての連続関数は原始関数を持つ。
- 第2部(FTC2):G が [a,b] 上 f の任意の原始関数なら、∫abf(x)dx=G(b)−G(a)=[G(x)]ab。
- 第1部の証明は、積分に関する平均値定理を使って差分商の極限を f(x) と特定する。
- 第2部の証明は、同一の関数の二つの原始関数は定数だけ異なるという事実を使い(原始関数チェックポイントから)、次に x=a で評価することでその定数を見つける。
- 括弧記号 [G(x)]ab=G(b)−G(a) は、評価ステップの簡潔な速記である。
- この公式は、最初に分離不可能に見えた二つの問題を完全に分離する。領域を計算する(定義積分)と不定積分を見つける(原始関数)。積分するには、逆向きに微分するだけでいい。