定積分を含む関数①(定積分が定数)

定積分を含む関数について学んでいきます。

 

最初にこの手の問題の解法手段をまとめておきます。
(1)積分に関係のない変数は前に出す
(2)定積分が定数ならば文字定数でおく。
(3)定積分が変数(上端,下端が変数)ならば微分する。
(4)\(x\)に都合のいい数を代入する。
このうち、問題を捉えるときに特に重要なのが、定積分が(2)定数になるのか、(3)変数(関数)になるのかです。このうち今回は(2)定数になる場合について見ていきます。

 

 

(例題1)
関数 \(f(x)\) が
\(f(x)=2x^2+x\displaystyle\int_0^3f(t)dt-5\)
を満たすとき、\(f(x)\)を求めよ。

 

 

関数 \(f(x)\)が定積分で表されていて、定積分自体にもその\(f(x)\)が使われています。
まず問題を把握するために、\(\displaystyle\int_0^3f(t)dt\) が一体どんなものになるのかを考えます。\(f(t)\)の原始関数を \(F(t)\) とすれば、
\(\displaystyle\int_0^3f(t)dt=F(3)-F(0)\)
となりますが、\(F(3),F(0)\)は関数に定数を代入したものなので定数です。よって、この定積分はただの定数になるので、\(\displaystyle\int_0^3f(t)dt=k\) とおくことができます。

(解答)
\(\displaystyle\int_0^3f(t)dt=k\)・・・① (\(k\)は定数) とおくことができるので

\(f(x)=2x^2+kx-5\)・・・②

\(f(x)\)が簡単な式であらわすことができたので、これを①に代入します。
定積分を文字でおくことで\(f(x)\)が表せるので、今度は文字でおいた定積分が計算できるという面白い手法になっています。

②で\(x=t\)としたものを①に代入して

\(\displaystyle\int_0^3(2t^2+kt-5)dt=k\)
\(\left[\displaystyle\frac{2}{3}t^3+\displaystyle\frac{k}{2}t^2-5t\right]_0^3=k\)
\(18+\displaystyle\frac{9k}{2}-15=k\)
\(k\)について解くと
\(k=-\displaystyle\frac{6}{7}\)

したがって②より
\(f(x)=2x^2-\displaystyle\frac{6}{7}x-5\)

 

 

 

(例題2)
次の関係式をみたす関数\(f(x)\)を求めよ。
\(f(x)=x^2+\displaystyle\int_0^1(x^2t+xt^2)f(t)dt\)

 

 

まず式をキレイにします。積分の和の部分を分けて、積分変数以外を前に出します。本問は\(dt\)、つまり積分変数\(t\)についての積分なので\(x\)は積分に関しては定数扱いとなり、これを前に出すことになります。

(右辺)
\(=x^2+\displaystyle\int_0^1(x^2t+xt^2)f(t)dt\)
\(=x^2+\displaystyle\int_0^1\color{blue}{x^2}tf(t)dt+\displaystyle\int_0^1\color{blue}{x}t^2f(t)dt\)
\(=x^2+x^2\displaystyle\int_0^1tf(t)dt+x\displaystyle\int_0^1t^2f(t)dt\)

 

(例題1)と同様に
\(\displaystyle\int_0^1tf(t)dt,\displaystyle\int_0^1t^2f(t)dt\) が定数となるので(\(tf(t)=f_1(t)\) ,  \(t^2f(t)=f_2(t)\) と全体としてみると分かりやすい)、それぞれを\(a,b\) と文字でおきます(同じとは限らないので別々の文字にする)。

\(\displaystyle\int_0^1tf(t)dt=a\)・・・①
\(\displaystyle\int_0^1t^2f(t)dt=b\)・・・②
(\(a,b\)は定数)とおけるので

\(f(x)=x^2+ax^2+bx=(1+a)x^2+bx\)・・・③

(例題1)と同様に③を①②に代入して定積分を計算します。

③を①に代入して
\(\displaystyle\int_0^1t\{(1+a)t^2+bt\}dt=a\)
\(\displaystyle\int_0^1\{(1+a)t^3+bt^2\}dt=a\)
\(\left[\displaystyle\frac{1+a}{4}t^4+\displaystyle\frac{b}{3}t^3\right]_0^1=a\)
\(\displaystyle\frac{1+a}{4}+\displaystyle\frac{b}{3}=a\)
よって
\(9a-4b=3\)・・・④

③を②に代入して
\(\displaystyle\int_0^1t^2\{(1+a)t^2+bt\}dt=b\)
\(\displaystyle\int_0^1\{(1+a)t^4+bt^3\}dt=b\)
\(\left[\displaystyle\frac{1+a}{5}t^5+\displaystyle\frac{b}{4}t^4\right]_0^1=b\)
\(\displaystyle\frac{1+a}{5}+\displaystyle\frac{b}{4}=b\)
よって
\(4a-15b=-4\)・・・⑤

④⑤より
\(a=\displaystyle\frac{61}{119}\), \(b=\displaystyle\frac{48}{119}\)

したがって③より
\(f(x)=(1+\displaystyle\frac{61}{119})x^2+\displaystyle\frac{48}{119}x\)
\(f(x)=\displaystyle\frac{180}{119}x^2+\displaystyle\frac{48}{119}x\)

 

 

 

 

(例題3)
関数 \(f(x)\) はすべての\(x\)に対し
\(2f(x)=-6x^2+2\left(\displaystyle\int_0^1f(t)dt\right)^2x-k^2+3\)
を満たすとする。

(1)\(k\)を用いて、\(\displaystyle\int_0^1f(t)dt\) の値を表せ。
(2)\(f(1)=0\) となるような\(k\)の値をすべて求めよ。

 

 

 

\(\displaystyle\int_0^1f(t)dt\) は定数です。

(解答)
(1)
\(\displaystyle\int_0^1f(t)dt=a\)・・・①  (\(a\)は定数) とおける。

与式から
\(2f(x)=-6x^2+2a^2x-k^2+3\)・・・②

2で割ってもよいですが、分数が邪魔なのでそのまま計算します。

①×2 より
\(\displaystyle\int_0^12f(t)dt=2a\)

これに②を代入して
\(\displaystyle\int_0^1(-6t^2+2a^2t-k^2+3)dt=2a\)
\(\left[-2t^3+a^2t^2+(-k^2+3)t\right]_0^1=2a\)
\(-2+a^2-k^2+3=2a\)

求めたいものは\(a\) (定積分)なので、\(a\)の2次方程式を解きます。

\(a^2-2a+(-k^2+1)=0\)
解の公式から
\(a=1±\sqrt{k^2}=1±|k|=1±k\)

\(k>0\)のとき \(1+|k|, 1-|k|=1+k, 1-k\)
\(k<0\)のとき \(1+|k|, 1-|k|=1-k, 1+k\)
で、結局正負に関係せず、\(1±|k|=1±k\) となります。

したがって
\(\displaystyle\int_0^1f(t)dt=1±k\)

 

(2)

(1)定積分のところが\(1±k\) と分かったので、\(f(1)=0\) から\(k\)を求めるだけです。

(1)より

(ア)\(\displaystyle\int_0^1f(t)dt=1+k\)のとき
\(2f(x)=-6x^2+2(1+k)^2x-k^2+3\)

\(x=1\)を代入して \(f(1)=0\) より
\(0=-6+2(1+k)^2-k^2+3\)
\(k^2+4k-1=0\)
\(k=-2±\sqrt{5}\)

(イ)\(\displaystyle\int_0^1f(t)dt=1-k\)のとき
\(2f(x)=-6x^2+2(1-k)^2x-k^2+3\)

\(x=1\)を代入して \(f(1)=0\) より
\(0=-6+2(1-k)^2-k^2+3\)
\(k^2-4k-1=0\)
\(k=2±\sqrt{5}\)

\(k=-2±\sqrt{5},2±\sqrt{5}\)

 

 

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見ていただきありがとうございました。
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