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定理証明済み

部分積分法

内容

u=u(x)u=u(x) と v=v(x)v=v(x) が区間 KK 上で微分可能ならば、∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv = uv - \int v\,du、すなわち ∫u(x)v′(x) dx=u(x)v(x)−∫u′(x)v(x) dx\int u(x)v'(x)\,dx = u(x)v(x) - \int u'(x)v(x)\,dx が成り立つ。

なぜ正しいのか?

部分積分は積の法則を逆にたどるものである:積分記号を取り除くわけではないが、導関数を一方の因子(vv)からもう一方(uu)へ移す。これは、微分すると uu がより簡単になる場合(u=xu=x が u′=1u'=1 になるように)で、かつ v′v' が原始関数を求めやすいままである場合にちょうど正しい手である——∫xex dx\int x e^x\,dx のような難しい積を易しい積に変える。

証明の概略

積の法則により (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'。整理すると uv′=(uv)′−u′vuv' = (uv)' - u'v となる。

両辺の(KK 上、xx に関する)原始関数をとる。右辺では (uv)′(uv)' の原始関数が明らかに uvuv 自身である(一意性の定理により定数だけの違いを除いて)ので、∫uv′ dx=∫(uv)′ dx−∫u′v dx=uv−∫u′v dx\int uv'\,dx = \int (uv)'\,dx - \int u'v\,dx = uv - \int u'v\,dx となる。

dv=v′(x) dxdv = v'(x)\,dx、du=u′(x) dxdu=u'(x)\,dx と書けば、これはコンパクトな記憶用の形 ∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv = uv - \int v\,du になる。実際には、一方の因子を(微分すべき)uu とし、残りを(原始関数を求めるべき)dvdv として選ぶ。通常は微分すると簡単になる因子(多項式、対数)を微分し、原始関数を求めても扱いやすい因子(exe^x、sin⁡x\sin x、cos⁡x\cos x)を積分する。

この定理を使うトピック

ステップごとの証明

この定理のステップごとの証明はまだありません。

参考文献

  1. James Stewart (2015). Calculus: Early Transcendentals
  2. Michael Spivak (2008). Calculus
  3. Manuel Bronstein (1998). Symbolic Integration Tutorial