逆関数と定積分①

逆関数の定積分について見ていきます。

逆関数の定積分は少しややこしいですが、一番のポイントはどの式が同じ意味を表しているのか(どの\(x,y\)が同じ\(x,y\)を表してるか)に注意することです。例えば
\(y=f(x)\) \(x=f^{-1}(y)\)
は全く同じ式(同値)であり、2式の\(x,y\)も同じです。

 

(例題1)
\(-1≦x≦1\) なる\(x\)に対して、\(\sin y=x\) を満たす \(-\displaystyle\frac{π}{2}≦y≦\displaystyle\frac{π}{2}\) なる区間の\(y\)を対応させる関数を \(y=f(x)\) とするとき、\(\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}f(x)dx\) の値を求めよ。

 

要約すると、\(y=\sin x\) の逆関数の定積分を求めよという問題です。逆関数の定積分は逆関数が具体的に分からないところに難しさがありますが、基本的な考え方は置換積分や部分積分を利用してその逆関数を無くすような変換をすることです。
3つの解法を紹介しますが、特に1つ目と2つ目が使える範囲が広いので重要です。
なお一応断っておくと、問題文の \(\sin y=x\) と \(y=f(x)\) は同じ式で、\(x,y\)としても同じです。

(解法1)置換積分を利用

\(f(x)=y\) と置換します。 調整用の項については
\(f'(x)dx=dy\) より、\(dx=\displaystyle\frac{dy}{f'(x)}\)
となりますが逆関数の微分を考えれば、\(f'(x)=\displaystyle\frac{dy}{dx}=\displaystyle\frac{1}{\displaystyle\frac{dx}{dy}}\)
なので、\(dx=\displaystyle\frac{dx}{dy}\cdot dy\) です。\(\displaystyle\frac{dx}{dy}\) は \(\sin y=x\) より簡単に求められ
\(\displaystyle\int f(x)dx=\displaystyle\int y(\sin y)’dy\) となります。あとは区間も変換するだけです。

\(x=\sin y\)・・・①  \(⇔\)  \(y=f(x)\)
\(I=\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}f(x)dx\) について

\(f(x)=y\) で置換すると、\(f'(x)dx=dy\) より
\(dx=\displaystyle\frac{dy}{f'(x)}=\displaystyle\frac{dx}{dy}\cdot dy\)
よって①より
\(dx=\cos ydy\)
また①より \(x:0 \to \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) のとき \(y:0 \to \displaystyle\frac{π}{3}\) だから

\(I=\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}f(x)dx\)

\(=\displaystyle\int_{0}^{\frac{π}{3}}y \cos y dy\)

\(=[y\sin y]_{0}^{\frac{π}{3}}-\displaystyle\int_{0}^{\frac{π}{3}}\sin ydy\)

\(=\displaystyle\frac{π}{3}\cdot\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}+[\cos y]_{0}^{\frac{π}{3}}\)

\(=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{6}π-\displaystyle\frac{1}{2}\)

 

(解法2)面積を考える

\(x=\sin y\) (\(-\displaystyle\frac{π}{2}≦y≦\displaystyle\frac{π}{2}\)) のグラフは簡単に書けるので (正の方向に注意しつつ\(y\)軸方向を\(x\)軸方向のように考えて\(\sin \) のグラフを書けばよい)、これをベースに面積で考えます。\(y=f(x)\) のグラフはこのグラフそのものなので、\(\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}f(x)dx\) は、このグラフと\(x\)軸の間の面積になります。あとは積分しやすい \(x=\sin y\) の面積を計算して長方形から除いてやればよいです。

逆関数 定積分① 例題1

\(y=f(x)\) のグラフは、\(x=\sin y\) と同じ。また、\(x=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) に対応するのは \(y=\displaystyle\frac{π}{3}\)

よって図より
\(I=\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}f(x)dx\)
\(=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot\displaystyle\frac{π}{3}-\displaystyle\int_{0}^{\frac{π}{3}}\sin y dy\)
\(=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{6}π+[\cos y]_{0}^{\frac{π}{3}}\)

\(=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{6}π-\displaystyle\frac{1}{2}\)

 

(解法3)ダイレクトに部分積分する

逆関数 \(y=f(x)\) の導関数は簡単に分かるので、\(\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}1×f(x)dx\) として部分積分で求めることができます。

\(x=\sin y\)・・・①  \(⇔\)  \(y=f(x)\)
\(I=\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}f(x)dx\) について

\(0≦x≦\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) より \(0≦y≦\displaystyle\frac{π}{3}\) に注意して
\(f'(x)=\displaystyle\frac{dy}{dx}=\displaystyle\frac{1}{\displaystyle\frac{dx}{dy}}\)
\(=\displaystyle\frac{1}{\cos y}\)  (①より)
\(=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\) (\(\cos y>0\) より)

よって
\(I=\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}1\cdot f(x)dx\)

\(=[xf(x)]_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}-\displaystyle\int_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}\displaystyle\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}dx\) (2項目は微分接触型)

\(=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}f(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2})+[\sqrt{1-x^2}]_{0}^{\frac{\sqrt{3}}{2}}\)

(\(x=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) に対応するのは、\(y=\displaystyle\frac{π}{3}\))

\(=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\cdot\displaystyle\frac{π}{3}+(\sqrt{\displaystyle\frac{1}{4}}-1)\)

\(=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{6}π-\displaystyle\frac{1}{2}\)

 

 

 

(例題2)
連続関数\(f(x)\)が、逆関数\(g(x)\)をもつとき、次の等式が成り立つことを示せ。
\(\displaystyle\int_{a}^{b}f(x)dx+\displaystyle\int_{f(a)}^{f(b)}g(x)dx=bf(b)-af(a)\)

 

(解答)

(例題1)の解法1のように置換積分で証明します。
\(g(x)\)の積分の方を変形することにすると、\(y=g(x)\) と \(x=f(y)\) が全く同じ式であることには注意します。また逆関数についての公式
\(f(f^{-1}(x))=f^{-1}(f(x))=x\) を利用します。
なおグラフの形状や\(a,b\)の大小正負などが分からないので、面積による解法は参考に留めたいと思います。

\(S=\displaystyle\int_{f(a)}^{f(b)}g(x)dx\) について

\(y=g(x)\) で置換すると
\(y=g(x)\) \(⇔\) \(x=f(y)\) だから
\(dx=f'(y)dy\)
また、\(x:f(a) \to f(b)\) のとき \(y:g(f(a)) \to g(f(b))\)
つまり、\(y:a \to b\) だから

\(S=\displaystyle\int_{a}^{b}yf'(y)dy\)

(部分積分をして)

\(=[yf(y)]_{a}^{b}-\displaystyle\int_{a}^{b}f(y)dy\)

(積分変数を変えても変わらないので)

\(=bf(b)-af(a)-\displaystyle\int_{a}^{b}f(x)dx\)

したがって
\(\displaystyle\int_{a}^{b}f(x)dx+\displaystyle\int_{f(a)}^{f(b)}g(x)dx=bf(b)-af(a)\)

 

(参考)

定積分 逆関数① 例題2

\(0<a<b\)、\(f(x)>0\) と限定して
\(S=\displaystyle\int_{f(a)}^{f(b)}g(x)dx\ (=\displaystyle\int_{f(a)}^{f(b)}g(y)dy)\) (変数を変えただけ)
\(T=\displaystyle\int_{a}^{b}f(x)dx\) とおけば

\(T+S=bf(b)-af(a)\)

が成り立つことが視覚的も分かります。

 

 

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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