部分積分の問題

■問題

次の問題を積分せよ(不定積分)．

${\displaystyle \int e^{2x}sinxdx}$ 　

■答

${\displaystyle \frac{1}{5}{e}^{2x}\left(2sinx-cosx\right)+C}$　　（$C$は積分定数）

■ヒント

部分積分法

${\displaystyle \int f^{\prime }\left(x\right)g\left(x\right)dx}$${\displaystyle =f\left(x\right)g\left(x\right)-\int f\left(x\right)g^{\prime }\left(x\right)dx}$ 　

の公式を用いる．

■解説

${\displaystyle f^{\prime }\left(x\right)={\left(\frac{1}{2}{e}^{2x}\right)}^{\prime }=e^{2x}}$ より

${\displaystyle f\left(x\right)=\frac{1}{2}{e}^{2x}}$，${\displaystyle g\left(x\right)=sinx}$ 　 　

として部分積分を行う． 

${\displaystyle \int e^{2x}sinxdx}$ 　

${\displaystyle =\int {\left(\frac{1}{2}{e}^{2x}\right)}^{\prime }sinxdx}$　(この式は公式の左辺の ${\displaystyle \int f^{\prime }\left(x\right)g\left(x\right)dx}$に対応している）

${\displaystyle =\frac{1}{2}{e}^{2x}sinx-\int \frac{1}{2}{e}^{2x}{\left(sinx\right)}^{\prime }dx}$ 　

（この式は公式の右辺の${\displaystyle f\left(x\right)g\left(x\right)-\int f\left(x\right)g^{\prime }\left(x\right)dx}$ に対応している）

${\displaystyle =\frac{1}{2}{e}^{2x}sinx-\frac{1}{2}\int {\left(\frac{1}{2}{e}^{2x}\right)}^{\prime }cosxdx}$ 　

（ 次は ${\displaystyle \int {\left(\frac{1}{2}{e}^{2x}\right)}^{\prime }cosxdx}$ の部分積分を行う ）

${\displaystyle =\frac{1}{2}{e}^{2x}\sin x}$${\displaystyle -\frac{1}{2}\left\{\frac{1}{2}{e}^{2x}\cos x-\int \frac{1}{2}{e}^{2x}{\left(\cos x\right)}^{\prime }dx\right\}}$

${\displaystyle =\frac{1}{2}{e}^{2x}sinx-\frac{1}{4}{e}^{2x}cosx}$${\displaystyle -\frac{1}{4}\int e^{2x}sinxdx}$　･･････(1) 　

ここで，右辺の式の中に，左辺の積分の式と同じものが現れたため，左辺の積分の式を ${\displaystyle I}$ とおき${\displaystyle I}$ に関する方程式とし，${\displaystyle I}$を求める．

${\displaystyle I=\int e^{2x}sinxdx}$ 　とおくと(1)は

${\displaystyle I=\frac{1}{2}{e}^{2x}sinx-\frac{1}{4}{e}^{2x}cosx-\frac{1}{4}I}$　･･････(2) 　

となる．(2)を$I$について解く.

${\displaystyle \frac{5}{4}I=\frac{1}{2}{e}^{2x}sinx-\frac{1}{4}{e}^{2x}cosx}$ 　

（右辺の ${\displaystyle \frac{1}{4}I}$を左辺に移項した）

${\displaystyle I=\frac{4}{5}\cdot \frac{1}{2}{e}^{2x}sinx-\frac{4}{5}\cdot \frac{1}{4}{e}^{2x}cosx}$ 　

${\displaystyle =\frac{2}{5}{e}^{2x}sinx-\frac{1}{5}{e}^{2x}cosx}$ 　

${\displaystyle =\frac{1}{5}{e}^{2x}\left(2sinx-cosx\right)}$ 　

積分定数を加えて

${\displaystyle \int e^{2x}sinxdx=\frac{1}{5}{e}^{2x}\left(2sinx-cosx\right)}$${\displaystyle +C}$　　（$C$は積分定数）

●別解

${\displaystyle {\displaystyle f^{\prime }\left(x\right)={\left(-\cos x\right)}^{\prime }=\sin x}}$ より

${\displaystyle f(x)=-\cos x}$ ， ${\displaystyle g(x)=e^{2x}}$ 　

として部分積分を行う．

${\displaystyle \int e^{2x}\sin xdx}$

${\displaystyle =\int e^{2x}{(-\cos x)}^{\prime }dx}$　(この式は公式の左辺の ${\displaystyle \int f^{\prime }\left(x\right)g\left(x\right)dx}$に対応している）

${\displaystyle =e^{2x}\left(-\cos x\right)-{\displaystyle \int {\left(e^{2x}\right)}^{\prime }\left(-\cos x\right)dx}}$ 　

（この式は公式の右辺の${\displaystyle f\left(x\right)g\left(x\right)-\int f\left(x\right)g^{\prime }\left(x\right)dx}$ に対応している）

${\displaystyle =-e^{2x}\cos x+2{\displaystyle \int e^{2x}{\left(\sin x\right)}^{\prime }dx}}$ 　

（ 次は ${\displaystyle {\displaystyle \int e^{2x}{\left(\sin x\right)}^{\prime }dx}}$ の部分積分を行う ）

${\displaystyle =-e^{2x}\cos x}$${\displaystyle +2\left\{e^{2x}\sin x-{\displaystyle \int {\left(e^{2x}\right)}^{\prime }\sin xdx}\right\}}$

${\displaystyle =-e^{2x}\cos x+2e^{2x}\sin x}$${\displaystyle -4{\displaystyle \int e^{2x}\sin xdx}}$ 　･･････(3) 　

ここで，右辺の式の中に，左辺の積分の式と同じものが現れたため，左辺の積分の式を ${\displaystyle I}$ とおき${\displaystyle I}$ に関する方程式とし，${\displaystyle I}$を求める．

${\displaystyle I=\int e^{2x}sinxdx}$ 　とおくと(3)は

${\displaystyle I=-e^{2x}\cos x+2e^{2x}\sin x-4I}$ 　･･････(4) 　

となる．(4)を$I$について解く.

${\displaystyle 5I=-e^{2x}\cos x+2e^{2x}\sin x}$ 　

（右辺の ${\displaystyle 4I}$ を左辺に移項した）

${\displaystyle 5I=-e^{2x}\cos x+2e^{2x}\sin x}$ 　

${\displaystyle I=\frac{1}{5}{e}^{2x}\left(2\sin x-\cos x\right)}$ 　

積分定数を加えて

${\displaystyle \int e^{2x}sinxdx=\frac{1}{5}{e}^{2x}\left(2sinx-cosx\right)}$${\displaystyle +C}$　　（$C$は積分定数）

 　

■確認問題

求まった答え ${\displaystyle \frac{1}{5}{e}^{2x}\left(2sinx-cosx\right)+C}$ を微分し，積分前の式 ${\displaystyle e^{2x}sinx}$に戻ることを確認しなさい．

ホーム>>カテゴリー分類>>積分>>積分の問題>>不定積分の問題 >>${\displaystyle \int e^{2x}sinxdx}$

最終更新日： 2023年11月23日