原始関数(不定積分)

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最終更新: タグ: 解析学, 積分, 微分

微分は関数を取って、その変化率を生み出す。原始関数はそのプロセスを反転する。変化率が与えられて、元の関数を再構成するよう求められる。この逆問題は積分論の出発点であり、速度から距離を計算したり、加速度から変位を計算したり、既知の成長率から量を計算する際に自然に生じる。

定義

定義。 ff が区間 I⊆RI \subseteq \mathbb{R} で定義されているとする。微分可能関数 F:I→RF : I \to \mathbb{R} が II 上の ff の原始関数(または不定積分)と呼ばれるのは、

F′(x)=f(x)すべての x∈I に対してF'(x) = f(x) \quad \text{すべての } x \in I \text{ に対して}

が成り立つことである。

例。

  • F(x)=x33F(x) = \tfrac{x^3}{3} は R\mathbb{R} 上 f(x)=x2f(x) = x^2 の原始関数である。なぜなら (x33)′=x2\bigl(\tfrac{x^3}{3}\bigr)' = x^2 だから。
  • F(x)=sin⁡xF(x) = \sin x は R\mathbb{R} 上 f(x)=cos⁡xf(x) = \cos x の原始関数である。
  • F(x)=ln⁡xF(x) = \ln x は (0,∞)(0, \infty) 上 f(x)=1xf(x) = \tfrac{1}{x} の原始関数である。
  • 関数 f(x)=sgn⁡(x)f(x) = \operatorname{sgn}(x) (符号関数)は 0 を含む区間では原始関数を持たない。なぜなら、導関数はジャンプ不連続性を持つことはできないからである(ダルボーの定理)。

原始関数は定数だけ異なる

一つの原始関数 FF を持つと、無限に多くが得られる。F(x)+CF(x) + C もすべての定数 C∈RC \in \mathbb{R} に対して原始関数である。次の定理は、これらが唯一の原始関数であることを述べる。

定理。 FF と GG が区間 II 上 ff の両方の原始関数なら、G(x)−F(x)=CG(x) - F(x) = C がある定数 C∈RC \in \mathbb{R} に対して成り立つ。

証明。 H≔G−FH \coloneqq G - F とする。すべての x∈Ix \in I に対して、

H′(x)=G′(x)−F′(x)=f(x)−f(x)=0.H'(x) = G'(x) - F'(x) = f(x) - f(x) = 0.

ラグランジュの平均値定理を II の任意の部分区間 [x1,x2][x_1, x_2] に適用する。そうするとある c∈(x1,x2)c \in (x_1, x_2) が存在して

H(x2)−H(x1)=H′(c)(x2−x1)=0⋅(x2−x1)=0.H(x_2) - H(x_1) = H'(c)(x_2 - x_1) = 0 \cdot (x_2 - x_1) = 0.

x1,x2∈Ix_1, x_2 \in I は任意であるから、HH は II のすべての二つの点で同じ値を取るから、HH は II 上で定数である。□\square

なぜ区間の仮定が重要か。 非連結領域(互いに素な二つの開区間の合の例)では、導関数がゼロの関数はグローバルには定数である必要がない — 各連結成分で異なる定数値を取ることができる。非連結領域上の原始関数は、成分ごとに一つの定数まで一意である。このチェックポイントは II が区間(連結)であると仮定する。

不定積分

ff のすべての原始関数の族の表記は不定積分である:

∫f(x) dx  ≔  F(x)+C,\int f(x)\,dx \;\coloneqq\; F(x) + C,

ここで FF は ff の任意の一つの原始関数で、C∈RC \in \mathbb{R} は任意の定数である。記号 ∫⋯dx\int \cdots dx は「… の x に関する不定積分」と読まれる。

+C+C はオプションの装飾ではない。原始関数の全族が存在し、すべてが定数だけ異なるという事実を記録する。それを削除することは、一般的な族ではなく特定の関数を要求することを意味するだろう。

不定積分対定義積分

これら二つの積分記号の使用は、根本的に異なるオブジェクトを指す:

不定積分 ∫f(x) dx\int f(x)\,dx定義積分 ∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx
結果関数の族 F(x)+CF(x) + C実数
次に依存する被積分関数 ff と変数 xx被積分関数 ff と限度 a,ba, b
任意定数はい — CC は不定いいえ — 値は固定
要求原始関数が存在することff のリーマン積分可能性

ニュートン—ライプニッツの公式(次のチェックポイントで証明)はそれらを接続する。ff が連続で FF が ff の任意の原始関数なら、∫abf(x) dx=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)。

基本的な原始関数の表

以下の原始関数は直接右辺を微分することから従う。各行は右辺が定義された区間で成り立つ。

f(x)f(x)∫f(x) dx\int f(x)\,dx注記
xnx^n (n≠−1n \neq -1)xn+1n+1+C\dfrac{x^{n+1}}{n+1} + Cすべての n∈Rn \in \mathbb{R}、n∉Zn \notin \mathbb{Z} なら x>0x > 0
1x\dfrac{1}{x}ln⁡∣x∣+C\ln\lvert x\rvert + Cx≠0x \neq 0;xx の符号ごとに一つの定数
exe^xex+Ce^x + C
sin⁡x\sin x−cos⁡x+C-\cos x + C
cos⁡x\cos xsin⁡x+C\sin x + C
11+x2\dfrac{1}{1+x^2}arctan⁡x+C\arctan x + C
11−x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}arcsin⁡x+C\arcsin x + C∣x∣<1\lvert x\rvert < 1
x\sqrt{x} (x>0x > 0)23x3/2+C\dfrac{2}{3}x^{3/2} + Cxnx^n で n=12n = \frac{1}{2} の特別な場合

右辺を微分することで各項を確認できる。例えば、(ln⁡∣x∣)′=1x(\ln\lvert x\rvert)' = \tfrac{1}{x} (x≠0x \neq 0)、および (−cos⁡x)′=sin⁡x(-\cos x)' = \sin x。

不定積分の線形性

微分が線形であるから、原始関数を取ることも線形である。

定理(線形性)。 FF が II 上 ff の原始関数で、GG が II 上 gg の原始関数なら、任意の定数 α,β∈R\alpha, \beta \in \mathbb{R} に対して

∫[αf(x)+βg(x)] dx  =  αF(x)+βG(x)+C.\int \bigl[\alpha f(x) + \beta g(x)\bigr]\,dx \;=\; \alpha F(x) + \beta G(x) + C.

証明。 (αF+βG)′=αF′+βG′=αf+βg(\alpha F + \beta G)' = \alpha F' + \beta G' = \alpha f + \beta g。□\square

例。 ∫(3x2−5cos⁡x) dx\displaystyle\int (3x^2 - 5\cos x)\,dx を計算する。

線形性と表により:

∫(3x2−5cos⁡x) dx  =  3⋅x33−5sin⁡x+C  =  x3−5sin⁡x+C.\int (3x^2 - 5\cos x)\,dx \;=\; 3\cdot\frac{x^3}{3} - 5\sin x + C \;=\; x^3 - 5\sin x + C.

例。 ∫x3+2xx dx\displaystyle\int \frac{x^3 + 2\sqrt{x}}{x}\,dx を計算する(x>0x > 0)。

最初に被積分関数を単純化する:

x3+2xx=x2+2x=x2+2x−1/2.\frac{x^3 + 2\sqrt{x}}{x} = x^2 + \frac{2}{\sqrt{x}} = x^2 + 2x^{-1/2}.

次に線形性:

∫ ⁣(x2+2x−1/2)dx=x33+2⋅x1/21/2+C=x33+4x+C.\int \!\left(x^2 + 2x^{-1/2}\right)dx = \frac{x^3}{3} + 2\cdot\frac{x^{1/2}}{1/2} + C = \frac{x^3}{3} + 4\sqrt{x} + C.

まとめ

  • 原始関数(不定積分)ff の区間 II 上の原始関数は、F′=fF' = f が II で成り立つ微分可能関数 FF である。
  • II 上の ff の任意の二つの原始関数は定数だけ異なる。F′=G′=fF' = G' = f なら、G=F+CG = F + C (ある C∈RC \in \mathbb{R})。これはラグランジュの MVT から G−FG - F に適用されることから従う。
  • 不定積分 ∫f(x) dx≔F(x)+C\int f(x)\,dx \coloneqq F(x) + C は原始関数全体の族を表す;+C+C は本質的である。
  • 不定積分は関数の族;定義積分 ∫abf\int_a^b f は数。ニュートン—ライプニッツの公式はそれらを結合する。
  • 線形性:∫(αf+βg) dx=α∫f dx+β∫g dx\int (\alpha f + \beta g)\,dx = \alpha \int f\,dx + \beta \int g\,dx (定数まで)。
  • 原始関数の標準表 — べき、exe^x、sin⁡\sin、cos⁡\cos、1/x1/x、逆三角関数 — は既知の微分公式を反転することで構成される。