1/1+x^2 型の積分 tan に置きかえる

0π411+x2 dx\displaystyle\int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{1+x^2}\space dx

んー、これ sin\sin 置換ですかね?

そうそう、三角関数。でも今回は tan\tan に置きかえ。

どう違うんですか?

1x21-x^2 みたいに引き算なら sin\sin だし、1+x21+x^2 みたいに足し算なら tan\tan でいけるっていうイメージを持っておく。使う公式がそういう形になってるからね。

1x21-x^2  1sin2x=cos2x1-\sin^2 x=\cos^2 x
1+x21+x^2  1+tan2x=1cos2x\displaystyle 1+\tan^2 x=\frac{1}{\cos^2 x}

あと tan\tan の微分の公式もおさらい
(tanx)=1cos2x\displaystyle (\tan x)’=\frac{1}{\cos^2 x}

tan\tan に置きかえ1

0π411+x2 dx\displaystyle\int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{1+x^2}\space dx
x=tantx=\tan t とおくと
dx=1cos2t dt\displaystyle dx=\frac{1}{\cos^2 t}\space dt
x 0π4x\space 0\rightarrow \frac{\pi}{4}
t 01t\space 0\rightarrow 1
=0111+tan2t1cos2t dt\displaystyle =\int_0^1 \frac{1}{1+\tan^2 t}\cdot \frac{1}{\cos^2 t}\space dt
=0111cos2t1cos2t dt\displaystyle =\int_0^1 \frac{1}{\frac{1}{\cos^2 t}}\cdot \frac{1}{\cos^2 t}\space dt
=01cos2t1cos2t dt\displaystyle =\int_0^1 \cos^2 t\cdot \frac{1}{\cos^2 t}\space dt
=01 dt\displaystyle =\int_0^1 \space dt

この式は =011 dt\displaystyle =\int_0^1 1 \space dt っていう意味だからね。

=[t]01\displaystyle =\left[t\right]_0^1
=1=1(答え)

tan\tan に置きかえ2

0113+x2 dx\displaystyle\int_0^1 \frac{1}{3+x^2}\space dx

今度は 3tan\sqrt{3}\tan で置きかえ。

2乗して 33 になる数だっけ?

それそれ。3+tan23+\tan^2 だと公式使えないから、3+3tan23+3\tan^2 にして 33 をカッコの外に追い出す流れ。

x=3tantx=\sqrt{3}\tan t とおくと
dx=3cos2t dt\displaystyle dx=\frac{\sqrt{3}}{\cos^2 t}\space dt
x 01x\space 0\rightarrow 1
t 0π6t\space 0\rightarrow \frac{\pi}{6}
=0π613+3tan2t3cos2t dt\displaystyle =\int_0^{\frac{\pi}{6}} \frac{1}{3+3\tan^2 t}\cdot\frac{\sqrt{3}}{\cos^2 t}\space dt
=0π613(1+tan2t)3cos2t dt\displaystyle =\int_0^{\frac{\pi}{6}} \frac{1}{3(1+\tan^2 t)}\cdot\frac{\sqrt{3}}{\cos^2 t}\space dt
=0π613cos2t3cos2t dt\displaystyle =\int_0^{\frac{\pi}{6}} \frac{1}{\frac{3}{\cos^2 t}}\cdot\frac{\sqrt{3}}{\cos^2 t}\space dt
=0π6cos2t33cos2t dt\displaystyle =\int_0^{\frac{\pi}{6}} \frac{\cos^2 t}{3}\cdot\frac{\sqrt{3}}{\cos^2 t}\space dt
=0π633 dt\displaystyle =\int_0^{\frac{\pi}{6}} \frac{\sqrt{3}}{3}\space dt
=[33t]0π6\displaystyle =\left[\frac{\sqrt{3}}{3}t\right]_0^{\frac{\pi}{6}}
=33π6\displaystyle =\frac{\sqrt{3}}{3}\cdot\frac{\pi}{6}
=318π\displaystyle =\frac{\sqrt{3}}{18}\pi(答え)

tan\tan に置きかえ3

最後にもう一つのパターンもやっとく。

14dxx22x+4\displaystyle \int_1^4 \frac{dx}{x^2-2x+4}
これも tan\tan 置換?

そうよ。最初に平方完成するの。

分母を平方完成すると
x22x+4=(x22x)+4x^2-2x+4=(x^2-2x)+4
=(x1)21+4=(x1)2+3=(x-1)^2-1+4=(x-1)^2+3
となるので
=14dx(x1)2+3\displaystyle =\int_1^4 \frac{dx}{(x-1)^2+3}

公式の形に近づいてきたよね。さっきは xx を置換したけど今度は x1x-1 を置換する。

x1=3tantx-1=\sqrt{3}\tan t とおくと
dx=3cos2t dt\displaystyle dx=\frac{\sqrt{3}}{\cos^2 t}\space dt
x 14x\space 1\rightarrow 4
t 0π3t\space 0\rightarrow \frac{\pi}{3}
0π313+3tan2t3cos2t dt\displaystyle \int_0^\frac{\pi}{3} \frac{1}{3+3\tan^2 t}\cdot\frac{\sqrt{3}}{\cos^2 t}\space dt

あとはさっきの問題と同じ流れだから途中式省略するよ。

=39π\displaystyle =\frac{\sqrt{3}}{9}\pi(答え)

分母に2次式きたら平方完成でいけるかもってのを思い出して。