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定積分の計算【基本定理・置換・部分積分の応用】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 微積分の基本定理

    ∫abf(x) dx=[F(x)]ab=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)\, dx = \left[F(x)\right]_a^b = F(b) - F(a)
  • 1.1. 定積分の基本的な性質

    ∫abf(x) dx=−∫baf(x) dx\int_a^b f(x)\, dx = -\int_b^a f(x)\, dx
  • 1.1. 定積分の基本的な性質

    ∫aaf(x) dx=0\int_a^a f(x)\, dx = 0
  • 1.1. 定積分の基本的な性質

    ∫ab[f(x)±g(x)] dx=∫abf(x) dx±∫abg(x) dx\int_a^b [f(x) \pm g(x)]\, dx = \int_a^b f(x)\, dx \pm \int_a^b g(x)\, dx
  • 1.1. 定積分の基本的な性質

    ∫abkf(x) dx=k∫abf(x) dx\int_a^b kf(x)\, dx = k\int_a^b f(x)\, dx
  • 1.1. 定積分の基本的な性質

    ∫abf(x) dx=∫acf(x) dx+∫cbf(x) dx\int_a^b f(x)\, dx = \int_a^c f(x)\, dx + \int_c^b f(x)\, dx
  • 2. 偶関数・奇関数の定積分

    ∫−aaf(x) dx=2∫0af(x) dx\int_{-a}^{a} f(x)\, dx = 2\int_0^a f(x)\, dx
  • 2. 偶関数・奇関数の定積分

    ∫−aaf(x) dx=0\int_{-a}^{a} f(x)\, dx = 0
  • 3. 置換積分(定積分への応用)

    ∫abf(x) dx=∫αβf(g(t)) g′(t) dt\int_a^b f(x)\, dx = \int_\alpha^\beta f(g(t))\, g'(t)\, dt
  • 4. 部分積分(定積分への応用)

    ∫abf(x)g′(x) dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x) dx\int_a^b f(x)g'(x)\, dx = \left[f(x)g(x)\right]_a^b - \int_a^b f'(x)g(x)\, dx
  • 5. 区分求積法と定積分の関係

    lim⁡n→∞∑k=1nf ⁣(kn)1n=∫01f(x) dx\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^{n} f\!\left(\frac{k}{n}\right)\frac{1}{n} = \int_0^1 f(x)\, dx

定積分の計算【基本定理・置換・部分積分の応用】

定積分は積分法の核心であり、面積・体積・曲線の長さなど広い応用を持ちます。この記事では微積分の基本定理から出発し、置換積分・部分積分を定積分でどう使うか、具体的な計算手順とともに解説します。

1. 微積分の基本定理

f(x)f(x) が [a,b][a, b] で連続で F′(x)=f(x)F'(x) = f(x) のとき

∫abf(x) dx=[F(x)]ab=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)\, dx = \left[F(x)\right]_a^b = F(b) - F(a)

これが微積分の基本定理(Newton-Leibniz の公式)です。不定積分で原始関数 F(x)F(x) を求め、上限・下限を代入するだけで定積分の値が計算できます。

1.1. 定積分の基本的な性質

∫abf(x) dx=−∫baf(x) dx\int_a^b f(x)\, dx = -\int_b^a f(x)\, dx ∫aaf(x) dx=0\int_a^a f(x)\, dx = 0 ∫ab[f(x)±g(x)] dx=∫abf(x) dx±∫abg(x) dx\int_a^b [f(x) \pm g(x)]\, dx = \int_a^b f(x)\, dx \pm \int_a^b g(x)\, dx ∫abkf(x) dx=k∫abf(x) dx\int_a^b kf(x)\, dx = k\int_a^b f(x)\, dx ∫abf(x) dx=∫acf(x) dx+∫cbf(x) dx\int_a^b f(x)\, dx = \int_a^c f(x)\, dx + \int_c^b f(x)\, dx

2. 偶関数・奇関数の定積分

原点について対称な区間 [−a,a][-a, a] では計算が大幅に楽になります。

  • f(x)f(x) が偶関数(f(−x)=f(x)f(-x) = f(x))のとき:
∫−aaf(x) dx=2∫0af(x) dx\int_{-a}^{a} f(x)\, dx = 2\int_0^a f(x)\, dx
  • f(x)f(x) が奇関数(f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x))のとき:
∫−aaf(x) dx=0\int_{-a}^{a} f(x)\, dx = 0

3. 置換積分(定積分への応用)

不定積分と異なり、定積分で置換するときは積分の上限・下限も変換する必要があります。

x=g(t)x = g(t) と置くと dx=g′(t) dtdx = g'(t)\, dt、かつ

  • x=a  ⟹  t=αx = a \implies t = \alpha(g(α)=ag(\alpha) = a)
  • x=b  ⟹  t=βx = b \implies t = \beta(g(β)=bg(\beta) = b)
∫abf(x) dx=∫αβf(g(t)) g′(t) dt\int_a^b f(x)\, dx = \int_\alpha^\beta f(g(t))\, g'(t)\, dt

3.1. 例題(置換積分)

問題1: ∫01x1−x2 dx\displaystyle\int_0^1 x\sqrt{1-x^2}\, dx を求めなさい。

解答:

t=1−x2t = 1 - x^2 とおくと dt=−2x dxdt = -2x\, dx、すなわち x dx=−12dtx\, dx = -\dfrac{1}{2}dt。

上限・下限の変換:

  • x=0  ⟹  t=1x = 0 \implies t = 1
  • x=1  ⟹  t=0x = 1 \implies t = 0
∫01x1−x2 dx=∫10t⋅(−12) dt=12∫01t dt\int_0^1 x\sqrt{1-x^2}\, dx = \int_1^0 \sqrt{t}\cdot\left(-\frac{1}{2}\right)\, dt = \frac{1}{2}\int_0^1 \sqrt{t}\, dt =12[23t3/2]01=12⋅23=13= \frac{1}{2}\left[\frac{2}{3}t^{3/2}\right]_0^1 = \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3} = \frac{1}{3}

問題2: ∫0π/2sin⁡3xcos⁡x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2} \sin^3 x\cos x\, dx を求めなさい。

解答:

t=sin⁡xt = \sin x とおくと dt=cos⁡x dxdt = \cos x\, dx。

  • x=0  ⟹  t=0x = 0 \implies t = 0
  • x=π/2  ⟹  t=1x = \pi/2 \implies t = 1
∫0π/2sin⁡3xcos⁡x dx=∫01t3 dt=[t44]01=14\int_0^{\pi/2} \sin^3 x\cos x\, dx = \int_0^1 t^3\, dt = \left[\frac{t^4}{4}\right]_0^1 = \frac{1}{4}

4. 部分積分(定積分への応用)

∫abf(x)g′(x) dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x) dx\int_a^b f(x)g'(x)\, dx = \left[f(x)g(x)\right]_a^b - \int_a^b f'(x)g(x)\, dx

4.1. 例題(部分積分)

問題3: ∫01xex dx\displaystyle\int_0^1 x e^x\, dx を求めなさい。

解答:

f(x)=xf(x) = x、g′(x)=exg'(x) = e^x とおくと f′(x)=1f'(x) = 1、g(x)=exg(x) = e^x。

∫01xex dx=[xex]01−∫01ex dx\int_0^1 xe^x\, dx = \left[xe^x\right]_0^1 - \int_0^1 e^x\, dx =(1⋅e1−0)−[ex]01=e−(e−1)=1= (1 \cdot e^1 - 0) - \left[e^x\right]_0^1 = e - (e - 1) = 1

問題4: ∫1elog⁡x dx\displaystyle\int_1^e \log x\, dx を求めなさい。

解答:

f(x)=log⁡xf(x) = \log x、g′(x)=1g'(x) = 1 とおくと f′(x)=1xf'(x) = \dfrac{1}{x}、g(x)=xg(x) = x。

∫1elog⁡x dx=[xlog⁡x]1e−∫1ex⋅1x dx\int_1^e \log x\, dx = \left[x\log x\right]_1^e - \int_1^e x \cdot \frac{1}{x}\, dx =(elog⁡e−1⋅log⁡1)−∫1e1 dx= (e\log e - 1\cdot\log 1) - \int_1^e 1\, dx =(e⋅1−0)−[x]1e=e−(e−1)=1= (e \cdot 1 - 0) - [x]_1^e = e - (e - 1) = 1

5. 区分求積法と定積分の関係

lim⁡n→∞∑k=1nf ⁣(kn)1n=∫01f(x) dx\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^{n} f\!\left(\frac{k}{n}\right)\frac{1}{n} = \int_0^1 f(x)\, dx

この公式は区分求積法と定積分を結ぶもので、数列の極限を定積分に帰着させるときに使います。

例: lim⁡n→∞1n∑k=1nkn=∫01x dx=[23x3/2]01=23\displaystyle\lim_{n\to\infty} \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}\sqrt{\frac{k}{n}} = \int_0^1 \sqrt{x}\, dx = \left[\frac{2}{3}x^{3/2}\right]_0^1 = \frac{2}{3}

関連記事: 置換積分・部分積分(不定積分) / 面積・体積・曲線の長さ

6. クイズ

  1. ∫−22(x3+3x) dx\displaystyle\int_{-2}^{2} (x^3 + 3x)\, dx の値はいくらですか?

    正解: 00 f(x)=x3+3xf(x) = x^3 + 3x は奇関数(f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x))なので、[−2,2][-2, 2] の対称区間での積分は 00。

  2. ∫0πsin⁡x dx\displaystyle\int_0^{\pi} \sin x\, dx の値を求めなさい。

    正解: 22 ∫0πsin⁡x dx=[−cos⁡x]0π=(−cos⁡π)−(−cos⁡0)=1+1=2\int_0^{\pi}\sin x\, dx = [-\cos x]_0^{\pi} = (-\cos\pi) - (-\cos 0) = 1 + 1 = 2。

  3. ∫01xe2x dx\displaystyle\int_0^1 xe^{2x}\, dx を部分積分で求めなさい。

    正解: f(x)=xf(x)=x、g′(x)=e2xg'(x)=e^{2x}(g(x)=12e2xg(x)=\frac{1}{2}e^{2x})で部分積分。[x2e2x]01−∫0112e2xdx=e22−[14e2x]01=e22−e2−14=e2+14\left[\frac{x}{2}e^{2x}\right]_0^1 - \int_0^1\frac{1}{2}e^{2x}dx = \frac{e^2}{2} - \left[\frac{1}{4}e^{2x}\right]_0^1 = \frac{e^2}{2} - \frac{e^2-1}{4} = \frac{e^2+1}{4}。

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