ニュートン—ライプニッツの公式

Basis
最終更新: タグ: 解析学, 積分

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\int_a^b f(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\int_a^b f(x)\,dx を評価するには、導関数が ff 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

ff[a,b][a, b] 上で連続とする。ff 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],F(x) \coloneqq \int_a^x f(t)\,dt, \qquad x \in [a, b],

は定義されている。FF変数上限の積分と呼び、FF[a,b][a, b] のすべての点で微分可能で F(x)=f(x)F'(x) = f(x) であるという主張である。

第1部の証明

x(a,b)x \in (a, b) を固定し、x+h[a,b]x + h \in [a, b] となるように小さい h0h \neq 0 をとる。積分の加法性により、

F(x+h)F(x)=ax+hf(t)dtaxf(t)dt=xx+hf(t)dt.F(x + h) - F(x) = \int_a^{x+h} f(t)\,dt - \int_a^x f(t)\,dt = \int_x^{x+h} f(t)\,dt.

hh で割ると差分商が得られる

F(x+h)F(x)h=1hxx+hf(t)dt.\frac{F(x+h) - F(x)}{h} = \frac{1}{h}\int_x^{x+h} f(t)\,dt.

ffxxx+hx+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\xi_hxxx+hx + h の間に存在することを保証して

xx+hf(t)dt=f(ξh)h.\int_x^{x+h} f(t)\,dt = f(\xi_h)\cdot h.

戻すと、

F(x+h)F(x)h=f(ξh).\frac{F(x+h) - F(x)}{h} = f(\xi_h).

h0h \to 0 のとき、点 ξh\xi_hxxx+hx + h の間に押し込まれるから、ξhx\xi_h \to xff の連続性により、

f(ξh)f(x).f(\xi_h) \to f(x).

したがって差分商は f(x)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).F'(x) = f(x). \qquad \square

同じ議論は片側極限を使って端点 aabb 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、GG[a,b][a, b]ff任意の原始関数 — つまり、すべての x[a,b]x \in [a, b]G(x)=f(x)G'(x) = f(x) — なら

abf(x)dx=G(b)G(a).\int_a^b f(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)dtF(x) = \int_a^x f(t)\,dtff の原始関数であることを既に知っている。GGff の原始関数であるから、差 GFG - F

(GF)(x)=G(x)F(x)=f(x)f(x)=0(G - F)'(x) = G'(x) - F'(x) = f(x) - f(x) = 0

をすべての x[a,b]x \in [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 CRC \in \mathbb{R} が存在して

G(x)=F(x)+Cすべての x[a,b]に対して.G(x) = F(x) + C \quad \text{すべての } x \in [a, b] \text{に対して}.

両方の端点で評価する。x=ax = a で:

G(a)=F(a)+C=aaf(t)dt+C=0+C=C.G(a) = F(a) + C = \int_a^a f(t)\,dt + C = 0 + C = C.

x=bx = b で:

G(b)=F(b)+C=abf(t)dt+C.G(b) = F(b) + C = \int_a^b f(t)\,dt + C.

最初の方程式を二番目から引く:

G(b)G(a)=abf(t)dt.G(b) - G(a) = \int_a^b f(t)\,dt. \qquad \square

括弧記号

次のように書くのが標準である

[G(x)]abG(b)G(a).\bigl[G(x)\bigr]_a^b \coloneqq 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,\int_a^b f(x)\,dx = \bigl[G(x)\bigr]_a^b,

ここで GGff の任意の原始関数である。GG 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)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\int_0^1 x^2\,dx

f(x)=x2f(x) = x^2 の原始関数は G(x)=x33G(x) = \dfrac{x^3}{3} である。ニュートン—ライプニッツを適用すると:

01x2dx=[x33]01=133033=13.\int_0^1 x^2\,dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_0^1 = \frac{1^3}{3} - \frac{0^3}{3} = \frac{1}{3}.

例2:0πsinxdx\int_0^\pi \sin x\,dx

sinx\sin x の原始関数は cosx-\cos x である。したがって

0πsinxdx=[cosx]0π=(cosπ)(cos0)=1+1=2.\int_0^\pi \sin x\,dx = \bigl[-\cos x\bigr]_0^\pi = (-\cos\pi) - (-\cos 0) = 1 + 1 = 2.

幾何学的には、xx 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3:1e1xdx\int_1^e \frac{1}{x}\,dx

(0,)(0, \infty) 上で 1x\dfrac{1}{x} の原始関数は lnx\ln x である。したがって

1e1xdx=[lnx]1e=lneln1=10=1.\int_1^e \frac{1}{x}\,dx = \bigl[\ln x\bigr]_1^e = \ln e - \ln 1 = 1 - 0 = 1.

これは ee の幾何学的意味を確認する。これは正確に、y=1/xy = 1/x の下の面積が 1 から ee まで 1 に等しい数である。

まとめ

  • 第1部(FTC1)ff[a,b][a, b] で連続なら、F(x)axf(t)dtF(x) \coloneqq \int_a^x f(t)\,dt は微分可能で F(x)=f(x)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)GG[a,b][a, b]ff の任意の原始関数なら、abf(x)dx=G(b)G(a)=[G(x)]ab\int_a^b f(x)\,dx = G(b) - G(a) = \bigl[G(x)\bigr]_a^b
  • 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)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=ax = 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)\bigl[G(x)\bigr]_a^b = 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。