現在地と前後の項目 xαの不定積分/分数関数の不定積分1/分数関数の不定積分2/分数関数の不定積分3/分数関数の不定積分4/不定積分の置換積分1/不定積分の置換積分2/不定積分の部分積分1/不定積分の部分積分2/多項式,分数関数,無理関数の不定積分/指数,対数関数の不定積分1/指数,対数関数の不定積分2/三角関数の不定積分1/三角関数の不定積分2/不定積分(まとめ1)/不定積分(まとめ2)/不定積分の漸化式/ ■ 分数関数(有理関数)の不定積分 (例題中心) ◇◇ はじめに・目次 ◇◇○ この頁で取り扱う不定積分 この頁では次の(1)~(3),(A)(B)について解説と例を示す.実際の不定積分の計算においては(A)(B)を先に考えて,(1)~(3)で締めくくるという流れになるが,目指すべき目標の形(1)~(3)をはじめに説明する.
【基本の形】
(1) 分母がxの1次式になるもの
∫
(2) 分母がxの2次式になるもの![]() i) 分母が異なる2つの1次式に因数分解できるもの (分母=0の2次方程式が異なる2つの実数解をもつとき)
∫
ii) 分母が完全平方式( ··· )2になるもの![]() (分母=0の2次方程式が実数の重解をもつとき)
∫
iii) 分母が( ··· )2+A になるもの (ただしA>0)![]() (分母=0の2次方程式が虚数解をもつとき)
∫
![]() (3) 例外的に,分子が分母の微分になっているときは,直ちに不定積分が得られる.
∫
![]() 【あらかじめ行っておく変形】 (A) 一般に,分数関数は(分子)÷(分母)の割り算によって商と余りに分けると,「分子の次数<分母の次数の形」 (数研の参考書で「分数式は富士の山」と呼ばれるもの) に変形することができる.この変形により,分数関数の不定積分を求めるときは,分子の次数が分母の次数よりも低い形だけを考えればよいことになる. (B) また,分母が何次式であっても分母=0のn次方程式は1次式と2次式の積に因数分解することができ (実数解の部分が1次式か重解に,虚数解の2つの組が(2) iii)の形の2次式に対応する) 部分分数分解と恒等式の係数比較法により,上記(1)(2)の形に帰着させることができる. |
【この頁では既習事項と考えている問題】 (0) 分母がxの累乗になるもの(次の形)
∫
は,
![]()
k∫ x−adx
の形だから,直ちに不定積分が得られる.
ア) a≠1のとき
∫ ![]() ![]()
イ) a=1のとき
∫ ![]()
例
ア)
∫ ![]() ![]() =− ![]() (初歩的な注意であるが ) ![]() ではないかと思う人は数学II「負の指数」の項目を見直しておく方がよい.
イ)
∫ ![]()
※ y=log xは真数xがx>0のときだけ定義されるが,y=log(−x)は真数−x>0のとき,すなわちx<0のとき定義される.そこで,これらをまとめて
![]() ア) x>0のとき, ![]() ![]() イ) x<0のとき,x=−t (t>0) → y=log t (t>0)とおいて合成関数微分法によって微分すると ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() となるから y=log(−x) (x<0)の微分も ![]() ア)イ)をまとめると, ![]() ![]() |
【解き方・公式の解説】
(1) 分母がxの1次式になるもの
∫
![]() ![]() ![]()
∫
![]() ![]()
(2) 分母がxの2次式になるもの
【部分分数分解】を用いる.i) 分母が異なる2つの1次式に因数分解できるもの (分母=0の2次方程式が異なる2つの実数解をもつとき)
∫
![]() ■ 例えば,
∫
![]() の問題では,被積分関数を変形して ![]() ![]() ![]()
A(x+1)+B(x−1)=1より
となるから
A+B=0 , A−B=1 → A= ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
∫
![]() ![]() ![]() ![]()
=
![]() ![]() ![]() 続く↑
|
(2)続き ■ 例えば,
∫ ![]() の問題では,被積分関数を変形して ![]() ![]() ![]()
A(x+4)+B(x+2)=x+8より
となるから
A+B=1 , 4A+2B=8 → A=3 , B= −2 ![]() ![]() ![]()
∫
![]() ![]() ![]()
= 3log|x+2|−2log|x+4|+C …(答)
さらに変形してlog![]() (分母の絶対値記号を書かなかったのは2乗だから負にならないから.分子の絶対値記号を省略できないのは3乗だから負になる可能性があるから.) ※ 高校生によくみられるのは(*1)までの変形で「疲れ果ててしまって」(*1)を答としてしまう初歩的なミスである.(*1)は,まだ積分していない形.・・・基礎「体力」がないと積分までたどりつけないので,ある程度分量をこなして「全体が見える」ようにしておくことが大切.
数学IやIIにおいては「分母が0になる場合」をていねいに分けなければ減点される危険があるが,数学IIIでは「知らん顔」でよい.ここで扱っているような分数関数については,式が定義されるような値だけを(分母が0にならない値だけを)扱っていることが前提となっているので,何も言わなくてよい.
|
ii) 分母が完全平方式( ··· )2になるもの
(分母=0の2次方程式が実数の重解をもつとき)
∫
![]() この形の被積分関数は分子にxの項を含む場合があるので, ![]() だけで表せるとは限らないが,次の形にすると常に部分分数に分解できる. ![]() ![]() ※ 分母の次数が低い項 ![]() も連れてくる ∫ ![]() ![]() ∫ ![]() のように積分が求められる. ■ 例えば,
∫ ![]() の問題では,被積分関数を変形して ![]() ![]() ![]()
A+B(x+1)=3x+5より
となるから
B=3 , A+B=5 → A=2 , B=3 ![]() ![]() ![]()
∫
![]() ![]() ![]()
= −
![]() 続く↑
|
→続き
(備考)
上の(1)で述べたように,分母が1次式のときの不定積分は
∫
![]() ![]() また,
y=
だから
![]() ![]()
これは合成関数微分法によって示される:
y= ![]()
t= ax+b
- - - -![]() ![]() ![]()
= a ·(−1) ·
![]()
= −a
![]()
∫
![]() ![]() ![]() |
※ この形の不定積分は逆三角関数が登場するので高校では扱わない.ただし,定積分は「定数」になるので高校数学で扱う.(話がややこしいが,なぜそうなるのかはやってみれば分かる.)
iii) 分母が( ··· )2+A になるもの (ただしA>0)
(分母=0の2次方程式が虚数解をもつとき)
∫
![]()
【要約】
∫ ![]() ∫ ![]() ![]() ![]() ∫ ![]() ![]() (*)←: y=tan−1 xの微分 y=tan−1 xのとき,x=tan yだから,逆関数の微分法 を用いると
x=tan y
![]() ![]() (b)を(a)に代入すると ![]() ![]() ![]() すなわち,y=tan−1 xの微分は ![]() これにより ∫ ![]() (**)←: ∫ ![]() ⇒ x=atとおいて置換積分するとよい. ![]() ∫ ![]() ![]() ![]() ![]() = ![]() ![]() ![]() ∫ ![]() ![]() ![]() (***)←: (3)で述べる∫ ![]() ![]()
∫
(x2+a2>0だから絶対値記号は不要)![]() ゆえに ![]() ∫ ![]() ![]() 続く↑
|
※ 逆三角関数 tan−1 xは,![]()
tan xの逆関数を,tan−1 xで表す.
すなわち, ![]() ![]() ![]() このとき,y=tan−1 x (−∞ <x<∞)(− ![]() ![]() ![]()
tan
![]() ![]() ![]() ![]()
tan
![]() ![]() →続き ○ ∫ ![]()
例
∫ ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() = ![]() ![]() ○ ∫ ![]() 分母が(ax+b)2+A (A>0)の形になるもの → ax+b=tとおいて置換積分するとよい.
例
∫ ![]() ![]() = ∫ ![]() |
(3) この形に当てはまると非常に簡単に不定積分が得られるので,上記(1)~(2) i)-iii)に当てはまるか否かによらずf’(x)/f(x)形でないかどうか瞬間チェックするとよい.
【特急券あり …♪~いただき~♪】
∫
![]() f(x)=tとおいて置換積分を行うと
f(x)=t
![]()
dx=
だから
![]()
∫
![]() ![]() ![]() ![]() =log|t|+C=log|f(x)|+C |
例
1) ∫
![]()
2) ∫
![]() ![]() ![]() = ![]() (かっこ内は常に正になるから絶対値記号は不要) |
(A)
14÷4=3 … 2 のとき 14=4·3+2
したがって![]() ![]() ![]()
【割り算の原理】(商と余りの関係)
例1
A÷B=Q … R のときA=QB+Rになるから ![]() ![]() ![]() 商Qは分数式から逃げられる・・・多項式になる. 余りRは分数式から逃げられない・・・分子に残る.
∫
において
![]()
(2x2+3)÷(x2+1)=2···1
だから
∫
のように変形すると,分子の次数が分母の次数より低くなり,計算が楽になる.![]() ![]() ![]() (分子の次数=分母の次数の場合も,割り算によって次数を下げなければならないことに注意.) |
例2
∫
において
![]()
(x3+x2+x+7)÷(x2−x+3)=x+2···1
だから
∫
のように変形する.
![]() ![]() = ![]() ![]() |
(B) 例
∫
の被積分関数を部分分数に分解するには
![]() ![]() ![]() ![]()
A(x2+1)+(Bx+C)(x+1)=x−1の係数を比較して
これにより元の式は
A=−1 , B=1 , C=0
∫
![]() ![]() ![]() = −log|x+1|+ ![]() ![]() = −log|x+1|+ ![]() |
例
∫
の被積分関数を部分分数に分解するには
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() (*B2)より
A(x+1)2+Bx+Cx(x+1)=x+2の係数を比較して
これにより元の式は
A=2 , B= −1 , C= −2
∫
![]() ![]() ![]() ![]() = 2log|x|+ ![]() |
|
(1)-1 ∫ ![]() |
(1)-2 ∫ ![]() ![]() |
(1)-3 ∫ ![]() |
(2) i)-1 ∫ ![]() 被積分関数を変形して ![]() ![]() ![]()
A(x+2)+B(x−2)=1より
となるから
A+B=0 , 2A−2B=1 → A= ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
∫
![]() ![]() ![]() ![]()
=
![]() ![]() ![]() |
(2) i)-2 ∫ ![]() 被積分関数を変形して ![]() ![]() ![]()
A(x−1)+B(x−2)=1より
となるから
A+B=0 , −A−2B=1 → A= 1, B= −1 ![]() ![]() ![]()
∫
![]() ![]() ![]()
= log|x−2|−log|x−1|+C= log|
![]() |
(2) i)-3 ∫ ![]() 被積分関数を変形して ![]() ![]() ![]()
A(x+2)+B(x−1)=3xより
となるから
A+B=3 , 2A−B=0 → A=1, B=2 ![]() ![]() ![]()
∫
![]() ![]() ![]()
= log|x−1|+2log|x+2|+C= log|(x−1)(x+2)2|+C …(答)
|
(2) ii)-1 ∫ ![]()
= 4 · (−1)·
![]() ![]() ![]() |
(2) ii)-2 ∫ ![]() 被積分関数を変形して ![]() ![]() ![]()
A+B(x+2)=x+1より
となるから,
これを用いて元の問題を書き換えると
B=1 , A+2B=1 → A=−1, B=1
∫
![]() ![]() ![]()
=
![]() |
(2) ii)-3 ∫ ![]() 被積分関数を変形して ![]() ![]() ![]()
A+B(2x+3)=4x+5より
となるから
2B=4 , A+3B=5 → A=−1, B=2 ![]() ![]() ![]()
∫
![]() ![]() ![]()
=
![]() ![]() |
(2) iii)-1 ∫ ![]() ![]() ![]() (2) iii)-2 ∫ ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() = ![]() |
(2) iii)-3 ∫ ![]() ![]() ![]() = ![]() ![]() ![]() = ![]() |
(3)-1 ∫ ![]() ![]() ![]() ![]() |
(3)-2 ∫ ![]() |
(3)-3 ∫ ![]() |
(AB)-1 ∫ ![]() ![]() = ![]() ![]() ![]() = ![]() |
(AB)-2 ∫ ![]() ![]() ![]() ![]() =log|x−1|+ ![]() |
(AB)-3 ∫ ![]() ![]() =∫ (1− ![]() =x−2log(x2+2x+2)+3∫ ![]() =x−2log(x2+2x+2)+3∫ ![]() =x−2log(x2+2x+2)+3tan−1(x+1)+C |
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■[個別の頁からの質問に対する回答][分数関数(有理関数)の不定積分について/18.9.15]
三度目の送信失礼します。
(3)-2の問題は、絶対値でなくカッコでいいのではないでしょうか(正になりそうです)。
最後の問題は、一応高校範囲の逸脱だと明記した方が良いかもしれません。tanが出てこないと思い、手が止まってしまいました。ただ明記したら用いる前提になってしまって考える練習にならないのかもしれませんので、微妙なところでしょうか。細かい感想になってすみません。
■[個別の頁からの質問に対する回答][分数関数(有理関数)の不定積分について/18.9.15]
=>[作者]:連絡ありがとう.tan−1xが高校の範囲外であることは,そのページの前の方の部分から述べていることです. x2+1のように直ちに正であることが分かる式では| |を省略しても戸惑いはありませんが,判別式を使わなければ分からないような場合には,その説明をさらに追加しなければならず,猫の額のような名刺サイズの中に書くのは?| |で間違っているわけではない. 連投すみません。
(*B1)の形になるときはいつでも(*B2)の形にできる.(比較してみるとCの値が少し違うだけだと分かる.)
の部分は、B2のBとCを入れ替えた方がわかりやすいのではないかと思いました。
Cの値が少し違うだけ、というのがB1とB2のどちらのCとみるかで混乱しそうだからです。
■[個別の頁からの質問に対する回答][分数関数(有理関数)の不定積分について/18.9.15]
=>[作者]:連絡ありがとう.名前の付け方だけのことなので,全体の論旨を理解できればよいと考えられます. 分数関数(有理関数)の不定積分
■[個別の頁からの質問に対する回答][分数関数(有理関数)の不定積分について/18.7.24]
=>[作者]:連絡ありがとう.-0→-1 コメント失礼しますm(__)m
この形の不定積分はのところで逆関数の微分を用いるととあるのですが、これは高校範囲なのでしょうか?この教材の数3の関数のところと微分のところではなかったです。
また、この形の不定積分はのところと特急券のところで、置換積分という文言がありますが、この段階では未習なので、公式を覚えて導出は後回しでもいいんでしょうか?それとも、置換積分のところを先に学習したほうがいいんでしょうか?
加えてこの形の不定積分のところでは逆三角関数の微分がありますが、公式を覚える前にこれを学習して公式を導出できた方がいいんでしょうか?
■[個別の頁からの質問に対する回答][分数関数(有理関数)の不定積分について/18.7.24]
=>[作者]:連絡ありがとう.(1)「この形の不定積分は逆三角関数が登場するので高校では扱わない.ただし,定積分は「定数」になるので高校数学で扱う.」と書いてある通りです.(2)「置換積分」の件:どちらが先でも構いませんが,できるようにすべきです.(3)「逆三角関数の微分」について:この教材を読んでいるのは,高校生だけではありません.高校生が卒業単位認定のために必要か,高校生が大学入試のために必要か,卒業生が復習しているときに必要か,は立場によって違います.高校の卒業単位認定のためだけに限定すれば必要ないということは初めに示しています. コメント失礼しますm(__)m
↓この頁では既習事項と考えている問題
のこめじるし
の(イ)の
合成関数微分法の途中式が違っています
dy/dx= dt/dx・dy/dtではなく、dy/dt・dt/dxです。
訂正お願いします
■[個別の頁からの質問に対する回答][分数関数(有理関数)の不定積分について/18.4.18]
=>[作者]:連絡ありがとう.質問・指摘の趣旨が不明です.dy/dx= dt/dx・dy/dt と dy/dx=dy/dt・dt/dx は同じものです. 例題の
= 3log|x+2|−4log|x+4|+C …(答)が、
= 3log|x+2|−2log|x+4|+C にならないわけを教えてください。
=>[作者]:連絡ありがとう.入力ミスですので訂正しました.(いい訳:管理人はワープロで教材を作っているのでなく,テキストエディタで <span class="itl16">= 3<span class="sct">log</span>|x+2|−2<span class="sct">log</span>|x+4|+C</span> …(答)などと直接入力しているので,後でブラウザで点検はしますが,管理人が見ている画面と読者が見る画面は同じでないため,結構大変なのです) |
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