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置換積分と部分積分のやり方をわかりやすく解説

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 置換積分とは

    ∫f(g(x)) g′(x) dx=∫f(u) du(u=g(x))\int f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int f(u)\,du \quad (u=g(x))
  • 3. 部分積分とは

    ∫u′v dx=uv−∫uv′ dx\int u'v\,dx = uv - \int uv'\,dx

1. 置換積分とは

置換積分は、被積分関数の中に「ある関数とその導関数の積」の形が見つかるとき、その関数を新しい変数 uu に置き換えることで積分を簡単にする方法です。

∫f(g(x)) g′(x) dx=∫f(u) du(u=g(x))\int f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int f(u)\,du \quad (u=g(x))

これは、合成関数の微分(連鎖律) の逆の操作にあたります。

2. 置換積分のやり方

  1. 式の中から置き換えると都合がよさそうな部分 u=g(x)u=g(x) を見つける
  2. du=g′(x) dxdu = g'(x)\,dx の関係を使って、積分全体を uu だけの式に書き換える
  3. uu について積分する
  4. 最後に uu を xx の式に戻す(定積分の場合は積分区間も uu に合わせて書き換える)

2.1. 例題1: 置換積分で不定積分を求める

次の不定積分を求めなさい。

∫2x(x2+1)3 dx\int 2x(x^2+1)^3\,dx

u=x2+1u=x^2+1 とおくと du=2x dxdu=2x\,dx なので、

∫2x(x2+1)3 dx=∫u3 du=u44+C=(x2+1)44+C\int 2x(x^2+1)^3\,dx = \int u^3\,du = \frac{u^4}{4} + C = \frac{(x^2+1)^4}{4} + C

2.2. 例題2: 定積分の置換積分

次の定積分を求めなさい。

∫012x(x2+1)3 dx\int_0^1 2x(x^2+1)^3\,dx

u=x2+1u=x^2+1 とおくと、x=0x=0 のとき u=1u=1、x=1x=1 のとき u=2u=2 です。積分区間も uu に合わせて書き換えると、

∫012x(x2+1)3 dx=∫12u3 du=[u44]12=164−14=154\int_0^1 2x(x^2+1)^3\,dx = \int_1^2 u^3\,du = \left[\frac{u^4}{4}\right]_1^2 = \frac{16}{4} - \frac{1}{4} = \frac{15}{4}

3. 部分積分とは

部分積分は、積の微分公式 (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' を積分の形に書き直したもので、次の公式が成り立ちます。

∫u′v dx=uv−∫uv′ dx\int u'v\,dx = uv - \int uv'\,dx

かけ算の形をした式で、片方を積分しやすく、もう片方を微分しやすくなるように uu、v′v' を選ぶのがコツです。

4. 部分積分の公式

(本文中への画像挿入案: /images/math-3/chikan-bubun-sekibun-bubun.png、alt=「部分積分の公式の適用手順(u,v'の選び方)を示した図」をこのセクションの下に配置すると、どちらを微分しどちらを積分するかの判断がイメージしやすくなります。)

4.1. 例題3: 部分積分で不定積分を求める

次の不定積分を求めなさい。

∫xex dx\int x e^x\,dx

u=xu=x(微分すると簡単になる)、v′=exv'=e^x(積分しやすい)とおくと、u′=1u'=1、v=exv=e^x なので、

∫xex dx=xex−∫ex dx=xex−ex+C=ex(x−1)+C\int x e^x\,dx = xe^x - \int e^x\,dx = xe^x - e^x + C = e^x(x-1) + C

4.2. 例題4: 部分積分を2回使う例

次の不定積分を求めなさい。

∫x2ex dx\int x^2 e^x\,dx

まず u=x2u=x^2、v′=exv'=e^x として部分積分すると、

∫x2ex dx=x2ex−∫2xex dx=x2ex−2∫xex dx\int x^2 e^x\,dx = x^2e^x - \int 2x e^x\,dx = x^2e^x - 2\int x e^x\,dx

∫xex dx\displaystyle\int xe^x\,dx は例題3の結果 xex−ex+Cxe^x-e^x+C を使えるので、

=x2ex−2(xex−ex)+C=x2ex−2xex+2ex+C=ex(x2−2x+2)+C= x^2e^x - 2(xe^x - e^x) + C = x^2e^x - 2xe^x + 2e^x + C = e^x(x^2-2x+2) + C

5. クイズ

  1. ∫3x2(x3+2)2 dx\displaystyle\int 3x^2(x^3+2)^2\,dx を置換積分で求めなさい。

    • 答えを見る正解: (x3+2)33+C\dfrac{(x^3+2)^3}{3}+C。u=x3+2u=x^3+2 とおくと du=3x2dxdu=3x^2dx なので ∫u2 du=u33+C\displaystyle\int u^2\,du=\dfrac{u^3}{3}+C。
  2. ∫xcos⁡x dx\displaystyle\int x\cos x\,dx を部分積分で求めなさい。

    • 答えを見る正解: xsin⁡x+cos⁡x+Cx\sin x + \cos x + C。u=xu=x、v′=cos⁡xv'=\cos x とおくと u′=1u'=1、v=sin⁡xv=\sin x より ∫xcos⁡x dx=xsin⁡x−∫sin⁡x dx=xsin⁡x+cos⁡x+C\displaystyle\int x\cos x\,dx = x\sin x - \int \sin x\,dx = x\sin x + \cos x + C。
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