ウィリアムのいたずらの、まちあるき、たべあるきーPART2

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置換積分ができないのは、高校でこれを教えないから

前の部分積分が人気だったので、↓今日は、置換積分!!

置換積分。やりかたは大きく3つなのかなあ~
(1から順に考えていく)

1.決まったパターン
  この式の場合、こう置換しろ!というパターンがあるもの
  例1/(1+x^2)ときたら、x=tanθと置け!みたいな

2.接触型
 置換する式をt=g(x)と置いたとき、tを微分したg'(x)が、
 積分する式の前についている場合、つまり
  ∫g'(x)f(x) dxの場合
 f(x)をtで表した式をh(t)とすると、
  ∫h(t)dt
 を計算する

3.x=に変形して、微分する
 置換する式t=g(x)を、xについて解いてx=u(t)の形に書き直し、
 それを微分してx'=u'(t)を求める。
 そして、f(x)のxのところをu(t)に置き換えて
 その結果現れた、tで表した式をh(t)とすると、
  ∫h(t)u'(t)dt
 を求める。

これを、1,2,3の順に適用可能か考えるんだけど・・・
なぜ、2のときは、tの式を微分し、3のときはxの式を微分するか
この2つは、やりかた全く違うように見えるけど・・・
同じように扱っていいの?と思ってしまう。

そして、この結果、↓の問題
の問題は、形は似てるけど、解き方は全く違って、
(1)は、2の接触型で解いて
(2)は、3のxに変形した形で解く
・・・・



これ、高校生の時、さっぱり意味わかんなかった。
で、大人になって分かった。

2も3も、いや1ですら、やっていることは一緒。

∫ f(x) dx で書かれたdxを、tの式に置き換えるので、dtに書き換えるための行為。その書き換え方法が2と3で違う。

ただ、書き換えの際、以下のきまりを使う
1.tで微分した場合は dt/dx,
  xで微分した場合はdx/dtになる。
2.dx/dtとかは、約分したり、分子分母にかけたり、計算とおなじような
  ことができる(高校で、これを教えないので、この変形は、答案には
  書いてはいけない)



■2.接触型は、結局なにしてる?
 → g'xのところにdt/dxを代入dxを約分すると、dtだけの式になる
 ↓のかんじ



■3.xに変形して微分は何してる?
 微分するとdx/dt=u'(t)が求まり、ここでdtを右辺にdx=u'(t)dtで、dxを代入
 ↓のかんじ



つまり、2と3は、dxからdtに変換するってことは同じなんだけど、
そのやり方が、2と3で異なっているってわけ。
だけど、dx/dtの通分とか移項とかをやっていいとはいわれていないので
テスト用紙には書いちゃいけないし、学校でも教えてくれない
教科書にも書いてない。
だから、なにやってるのかわからず、
わかんないからできないという高校生活でした。



ちなみに、これを解禁された形で(1)、(2)の問題を解くと、
下のようになります。

■(1)



■(2)