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Calculus · real student question

x の2乗 かける e^x の x についての不定積分を求めよ。

Question

次の不定積分を求めよ。

∫x2ex dx\int x^2e^x\,dx

Step-by-step solution

  1. 積の形を見抜き、多項式が縮むように uu を選ぶ。 被積分関数は多項式と指数関数の積で、これは部分積分の典型的な合図である:

    ∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv=uv-\int v\,du

    u=x2u=x^2、dv=ex dxdv=e^x\,dx と選ぶ。理由は、x2x^2 を微分すると次数が下がる一方、exe^x は積分しても変わらないからである。つまり公式を1回使うたびに、計算できる積分へ確実に近づいていく。逆に選ぶ(u=exu=e^x)と次数が x3x^3 に上がり、かえって悪くなる。

  2. 公式の1回目の適用。 u=x2u=x^2、dv=ex dxdv=e^x\,dx とすると du=2x dxdu=2x\,dx、v=exv=e^x なので、

    ∫x2ex dx=x2ex−∫ex⋅2x dx=x2ex−2∫xex dx\int x^2e^x\,dx=x^2e^x-\int e^x\cdot 2x\,dx=x^2e^x-2\int xe^x\,dx

    残った積分は同じ形で、x2x^2 が xx に変わっている。狙い通り次数が1つ下がった。

  3. 2回目の適用、∫xex dx\int xe^x\,dx に対して。 u=xu=x、dv=ex dxdv=e^x\,dx とすると du=dxdu=dx、v=exv=e^x:

    ∫xex dx=xex−∫ex dx=xex−ex\int xe^x\,dx=xe^x-\int e^x\,dx=xe^x-e^x

    一般に ∫xnex dx\int x^n e^x\,dx には nn 回の適用が必要である。1回ごとに次数が1つ下がるからである。ここでは n=2n=2 なので、ちょうど2回になる。

  4. 代入し戻して整理する。 2つ目の結果を1つ目に入れると:

    ∫x2ex dx=x2ex−2(xex−ex)=x2ex−2xex+2ex\int x^2e^x\,dx=x^2e^x-2\big(xe^x-e^x\big)=x^2e^x-2xe^x+2e^x

    共通因子 exe^x をくくり出すと、すっきりした形になる:

    ∫x2ex dx=ex(x2−2x+2)+C\int x^2e^x\,dx=e^x\left(x^2-2x+2\right)+C

    定数 CC を忘れないこと。付けるのは最後に1度だけで、1回ごとに付けるのではない。

  5. 答えを微分して検証する。 不定積分ではこの検算がつねに使える。積の微分法により、

    ddx[ex(x2−2x+2)]=ex(x2−2x+2)+ex(2x−2)=ex(x2−2x+2+2x−2)=x2ex\frac{d}{dx}\Big[e^x\big(x^2-2x+2\big)\Big]=e^x\big(x^2-2x+2\big)+e^x\big(2x-2\big)=e^x\big(x^2-2x+2+2x-2\big)=x^2e^x

    1次の項が打ち消し合い、もとの被積分関数がぴたりと戻ってくるので、この原始関数は正しい。

  6. 再利用できるパターンとして押さえる。 符号が交互に現れるこの構造は一般化できる:

    ∫xnex dx=ex(xn−nxn−1+n(n−1)xn−2−⋯±n!)+C\int x^ne^x\,dx=e^x\left(x^n-nx^{n-1}+n(n-1)x^{n-2}-\cdots\pm n!\right)+C

    n=2n=2 ならこれは ex(x2−2x+2)+Ce^x(x^2-2x+2)+C となり、いま導いたものと一致する。これを知っていれば、∫x3ex dx=ex(x3−3x2+6x−6)+C\int x^3e^x\,dx=e^x(x^3-3x^2+6x-6)+C を3回も計算し直さずに書き下せる。

Answer

ex(x2−2x+2)+Ce^x\left(x^2-2x+2\right)+C

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