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参考:素朴な疑問への解答例

素朴な疑問

$$\int \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\, dx = \sin^{-1} x $$

なら

$$-\int \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\, dx = \cos^{-1} x$$

じゃあなくて

$$-\int \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\, dx = -\sin^{-1} x $$

なんじゃあないの? それとも $\cos^{-1} x$ と $ -\sin^{-1} x$ は同じなの?

解答例

1. まず,上記の積分は不定積分なので,積分定数も省略せずに書くと

\begin{eqnarray}
\int \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\, dx &=& \cos^{-1} x + C_1 \\
&=& -\sin^{-1} x + C_2
\end{eqnarray}

ということ。

2. $\cos^{-1} x$ と $ -\sin^{-1} x$ は等しいわけではないが,以下のように定数分だけ異なる。

$$ \sin^{-1} x + \cos^{-1} x = \frac{\pi}{2}$$

先に上記の関係を証明しておこう。

$$x = \cos y = \sin \left( \frac{\pi}{2} -y\right)$$

から,$x = \cos y$ を $y$ について解くと

$$y = \cos^{-1} x$$

一方,$\displaystyle x =\sin \left( \frac{\pi}{2} -y\right)$ を $y$ について解くと

$$ \frac{\pi}{2} -y = \sin^{-1} x$$

$$\therefore\ \  \sin^{-1} x + y = \sin^{-1} x + \cos^{-1} x = \frac{\pi}{2}$$

1. と 2. から,$\cos^{-1} x$ と $ -\sin^{-1} x$ の違いは積分定数に吸収されることがわかる。あからさまに書くと,$\displaystyle C_2 = \frac{\pi}{2} + C_1$ とおけば,

$$-\sin^{-1} x + C_2 = -\sin^{-1} x + \frac{\pi}{2} + C_1 = \cos^{-1} x+ C_1$$

となる。

応用例:微分方程式

逆三角関数が出てくる例として,以下のような微分方程式を考える。(1年生では微分方程式はまだ習わないけど,参考までに。)

$$\left( \frac{dy}{dx}\right)^2 = 1 -y^2$$

これは,以下のように変数分離ができて

$$dx = \pm \frac{dy}{\sqrt{1 -y^2}}$$

復号部分が $+$ のときは以下のように積分できて

$$x = + \int \frac{dy}{\sqrt{1 -y^2}} = \sin^{-1} y$$

復号部分が $-$ のときは

$$x = -\int \frac{dy}{\sqrt{1 -y^2}} = \cos^{-1} y$$

さて,どっちを答えに書けばいいだろう?と悩むあなた,積分定数を(左辺に)つけて

$$x + C = + \int \frac{dy}{\sqrt{1 -y^2} }= \sin^{-1} y$$

しておけば,復号部分 $\pm$ どちらも含んだ答えになります。$y$ について解けば

$$ y = \sin( x + C)$$