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練習問題の解答例

練習問題 1.

\(\displaystyle \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{(a^2 + x^2)^{\frac{3}{2}}} dx\)

一見,無限区間の積分だが,\(\tan\theta\) を含む変数変換による置換積分にすれば,\(\displaystyle -\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2}\) の有限区間での定積分に帰着する場合もある。

不定積分

まず,不定積分は「無理関数の積分」の練習問題 4. そのもの。

\(x = a \tan\theta\) とおいて置換積分。\(\displaystyle dx = \frac{a}{\cos^2\theta}\, d\theta\) であるから…

\begin{eqnarray}
\int \frac{1}{(a^2 + x^2)^{\frac{3}{2}}} dx &=&
\int\frac{1}{(a^2 + a^2 \tan^2\theta)^{\frac{3}{2}}}\frac{a}{\cos^2\theta} d\theta \\
&=&
\int\frac{1}{a^3 (1 + \tan^2\theta)^{\frac{3}{2}}}\frac{a}{\cos^2\theta} d\theta \\
&=& \frac{1}{a^2} \int \cos\theta\, d\theta \\
&=& \frac{1}{a^2} \sin\theta \\
&=& \frac{1}{a^2} \tan\theta \times \cos\theta \\
&=& \frac{1}{a^2} \frac{\tan\theta}{\sqrt{1 + \tan^2\theta}} \\
&=& \frac{1}{a^2} \frac{a \tan\theta}{\sqrt{a^2 + a^2\tan^2\theta}} \\
&=& \frac{1}{a^2} \frac{x}{\sqrt{a^2 + x^2}} \\
\end{eqnarray}

不定積分の別解

一旦答えがわかれば,いかようにもこじつけはできるわけで,以下のような別解も可能。

\begin{eqnarray}
\frac{1}{(a^2 + x^2)^{\frac{3}{2}}} &=& \frac{1}{\sqrt{a^2 + x^2}} \frac{1}{a^2 + x^2} \\
&=& \frac{1}{\sqrt{a^2 + x^2}} \frac{1}{a^2} \left( 1 – \frac{x^2}{a^2 + x^2}\right) \\
&=& \frac{1}{a^2} \left( \frac{1}{\sqrt{a^2 + x^2}} – x \frac{x}{(a^2 + x^2)^{\frac{3}{2}}}\right) \\
&=& \frac{1}{a^2} \frac{d}{dx} \frac{x}{\sqrt{a^2 + x^2}} \\
\therefore \ \ \int \frac{1}{(a^2 + x^2)^{\frac{3}{2}}} dx &=& \int \frac{1}{a^2} \frac{d}{dx} \frac{x}{\sqrt{a^2 + x^2}} dx \\
&=& \frac{1}{a^2} \frac{x}{\sqrt{a^2 + x^2}}
\end{eqnarray}

定積分

\(x = a \tan\theta\) とおいて置換積分だと

\begin{eqnarray}
\int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{(a^2 + x^2)^{\frac{3}{2}}} dx &=&
\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{(a^2 + a^2 \tan^2\theta)^{\frac{3}{2}}}\frac{a}{\cos^2\theta} d\theta \\
&=&
\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{a^3 (1 + \tan^2\theta)^{\frac{3}{2}}}\frac{a}{\cos^2\theta} d\theta \\
&=& \frac{1}{a^2} \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta\, d\theta \\
&=& \frac{1}{a^2} \Bigl[\sin\theta\Bigr]_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \\
&=&\frac{1}{a^2} \left(1 – \left(-1\right)\right) \\
&=& \frac{2}{a^2}
\end{eqnarray}

または

\begin{eqnarray}
\int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{(a^2 + x^2)^{\frac{3}{2}}} dx
&=& \lim_{b\rightarrow \infty}\frac{1}{a^2} \Bigl[\frac{x}{\sqrt{a^2 + x^2}}\Bigr]_{-b}^b \\
&=& \lim_{b\rightarrow \infty}\frac{1}{a^2} \Bigl[\frac{x}{\sqrt{x^2}}\Bigr]_{-b}^b \\
&=& \frac{1}{a^2}\lim_{b\rightarrow \infty}\left( \frac{b}{|b|} – \frac{-b}{|b|}\right) \\
&=& \frac{2}{a^2}
\end{eqnarray}

練習問題 2.

\(\displaystyle \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{a^2 + x^2} dx\)

一見,無限区間の積分だが,\(\tan\theta\) を含む変数変換による置換積分にすれば,\(\displaystyle -\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2}\) の有限区間での定積分に帰着する場合もある。

不定積分

まずは不定積分。

\( x = a \tan\theta\) とおいて置換積分

\begin{eqnarray}
\int \frac{1}{a^2 + x^2} dx &=& \int \frac{1}{a^2} \frac{1}{1+\tan^2 \theta} \frac{a}{\cos^2\theta} \,d\theta \\
&=& \frac{1}{a} \int \,d\theta \\
&=& \frac{\theta}{a} \\
&=&  \frac{\tan^{-1}\frac{x}{a}}{a}
\end{eqnarray}

あるいは \(\displaystyle \frac{d}{dx} \tan^{-1} x = \frac{1}{1+x^2}\) がわかっていれば,脊髄反射で

\begin{eqnarray}
\int \frac{1}{a^2 + x^2} dx &=& \frac{1}{a} \int \frac{1}{1 + \left(\frac{x}{a}\right)^2} d\left(\frac{x}{a} \right)\\
&=& \frac{\tan^{-1}\frac{x}{a}}{a}
\end{eqnarray}

定積分

\( x = a \tan\theta\) とおいて置換積分すれば

\begin{eqnarray}
\int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{a^2 + x^2} dx &=&
\frac{1}{a} \Bigl[\theta\Bigr]_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \\
&=& \frac{\pi}{a}
\end{eqnarray}

これで安心してはいけない。ここでは \(a > 0\) が仮定されていることに注意。

\(a < 0\) のときには,
\begin{eqnarray}
\int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{a^2 + x^2} dx &=&
\frac{1}{a} \Bigl[\theta\Bigr]^{-\frac{\pi}{2}}_{\frac{\pi}{2}} \\
&=& -\frac{\pi}{a} \\
&=& \frac{\pi}{|a|}
\end{eqnarray}

ということで \(a > 0\) のときも \(a < 0\) のときにも使える形で

\begin{eqnarray}
\int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{a^2 + x^2} dx &=&
\frac{\pi}{|a|}
\end{eqnarray}

まとめると,定積分の場合は,積分範囲の変換があるから,最初から \( x = |a| \tan\theta\) とおいて置換積分すれば

\begin{eqnarray}
\int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{a^2 + x^2} dx &=&
\frac{\pi}{|a|}
\end{eqnarray}