上級者
数学Ⅲ:積分法
-
ヒント:難しい積分は解き方を覚えてないとなかなか解けない.今回は3つのパターンがあるので覚えておきましょう.
問題
定積分 \(I=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{1+\tan x}dx\) を求めよ.(オリジナル)
三角関数の積分は,\(\displaystyle \tan \frac{x}{2}=t\)と置くと解けることが多いが,ほかの方法で解けるか確認しよう.
パターン1:
\(\displaystyle \tan \frac{x}{2}=t\)と置くと,\(\displaystyle \tan x=\frac{2t}{1-t^2}\)
\(\displaystyle x:0\rightarrow\frac{\pi}{2}\)の時,\(\displaystyle t:0\rightarrow 1\)
また,\(\displaystyle dx=\frac{2}{1+t^2}dt\)
よって,\(I=\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{2(1-t^2)}{(1+t^2)(1-t^2+2t)}dt\)
ここで部分分数分解すると,
\(I=\displaystyle \int_{0}^{1}\left(\frac{1}{1+t^2}-\frac{t}{1+t^2}+\frac{t-1}{t^2-2t-1}\right)dt\)
ここで,
\(\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1}{1+t^2}dt\)について,\(t=\tan\theta\)と置いて計算すれば,
\(\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1}{1+t^2}dt\)\(=\displaystyle \frac{\pi}{4}\)
また,\(\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{t}{1+t^2}\)\(=\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1}{2}\frac{(t^2+1)'}{1+t^2}\)\(=\displaystyle [\log(t^2+1)]_{0}^{1}\)\(=\displaystyle \frac{\log 2}{2}\)
また,\(\displaystyle \int_{0}^{1}\left(\frac{t-1}{t^2-2t-1}\right)dt\)\(=\displaystyle \int_{0}^{1}\left(\frac{1}{2}\frac{(t^2-2t-1)'}{t^2-2t-1}\right)dt\)\(=\displaystyle \left[\frac{1}{2}\log|t^2-2t-1|\right]_{0}^{1}\)\(=\displaystyle \frac{\log 2}{2}\)
よって,\(I=\displaystyle \frac{\pi}{4}\)
パターン2:
\(I=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{1+\tan x}dx\)\(=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\cos x}{\sin x+\cos x}dx\)
ここで,\(x=\displaystyle \frac{\pi}{2}-t\)と置くと,\(\displaystyle \sin x=\sin\left(\frac{\pi}{2}-t\right)=\cos t\),\(\displaystyle \cos x=\cos\left(\frac{\pi}{2}-t\right)=\sin t\)
\(\displaystyle x:0\rightarrow\frac{\pi}{2}\)の時,\(\displaystyle t:\frac{\pi}{2}\rightarrow 0\)
また,\(dx=-dt\)
よって,\(I=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin x}{\sin x+\cos x}dx\) (\(t\)や\(x\)は単なる積分変数なので変更可能)
ここで,\(2I=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\cos x}{\sin x+\cos x}dx\)\(+\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin x}{\sin x+\cos x}dx\)\(=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}dx\)\(=\displaystyle \frac{\pi}{2}\)
よって,\(I=\displaystyle \frac{\pi}{4}\)
パターン3:
\(I=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{1+\tan x}dx\)\(=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\cos x}{\sin x+\cos x}dx\)
ここで,
\(\displaystyle \sin x+\cos x=\sqrt{2}\cos\left(x-\frac{\pi}{4}\right)\)
\(\displaystyle \cos x=\cos\left(x-\frac{\pi}{4}+\frac{\pi}{4}\right)\)\(=\displaystyle \cos\left(x-\frac{\pi}{4}\right)\cos \left(\frac{\pi}{4}\right)+\sin\left(x-\frac{\pi}{4}\right)\sin \left(\frac{\pi}{4}\right)\)\(=\displaystyle \frac{1}{\sqrt{2}}\cos\left(x-\frac{\pi}{4}\right)+ \frac{1}{\sqrt{2}}\sin\left(x-\frac{\pi}{4}\right)\)
よって,\(I=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{1+\tan x}dx\)\(=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\cos x}{\sin x+\cos x}dx\)\(=\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\tan\left(x-\frac{\pi}{4}\right)dx\)
ここで,\(\displaystyle \int \tan x dx\)\(=\displaystyle \int \frac{(-\cos x)'}{\cos x}dx\)\(=-\log|\cos x|\)
よって,\(I=\displaystyle \left[\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\log\left|\cos \left(x-\frac{\pi}{4}\right)\right|\right]_{0}^{\frac{\pi}{2}}\)\(\displaystyle \frac{\pi}{4}\)
参考入試問題
定積分 \(\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin x}{\sin x+\cos x}dx\) を求めよ.(2002 横浜国立大)
解答
上記に示した解法と同じなので省略.