微分積分学において置換積分(ちかんせきぶん, )は、変数変換を用いて積分を計算する積分法である。

一変数の置換 不定積分の置換積分 連続関数 と微分可能関数 について次の等式が成り立つ。

導出には以下のように連鎖律と微分積分学の基本定理を用いる。

この等式から変換公式の両辺の不定積分は で微分したときに等しいことから、定数項の違いを除いて等しいことが帰結される。

また、変換公式は形式的に と に分けて考えることができる。後者は厳密には微分形式の理論によって正当化され、後述する多変数の置換積分と併せて積分の変数変換を一般化する。

定積分の置換積分 定積分で変数変換する際には、以下のように積分区間も変換される。

例 例1

で から に変数変換する。ここで、 なので である。また、 に対して であり、 に対して であるので、

と計算できる。

例2

で から に変数変換する。このとき、 である。また、 および であることから積分区間を に変換すると、この区間において であることに注意して、

と計算できる。

多変数の置換

,と変数変換すると

ここで、

はヤコビアン(ヤコビ行列の行列式である。)

これは形式的にと書ける。

測度論における置換積分 測度論およびルベーグ積分の理論において、置換積分は測度の引き戻し(押し出し測度)や絶対連続性の概念を通じて一般的・抽象的に定式化される。

抽象的測度空間における変数変換公式 可測空間 から への可測関数 と、 上の測度 に対し、 上の は により定義される。このとき、 上の任意の可測関数(または非負可測関数) に対して、以下の変数変換公式(置換積分公式)が成り立つ:

確率論において を確率変数、 をその確率分布とするとき、期待値の計算式 はこの公式の直接的な応用である。

ルベーグ=スティルチェス積分における置換積分 ルベーグ=スティルチェス積分においては、単調増加関数(あるいは有界変動関数) によって誘導される測度 (スティルチェス測度)に対する積分が行われる。

特に、 が絶対連続関数である場合、ラドン=ニコディムの定理より (ルベーグ測度に対する密度関数が微分可能関数の導関数 に一致する)と表され、ルベーグ積分における置換積分公式は次のように記述される:

ここで は可測関数である。 が単調増加かつ絶対連続であるならば、左辺のルベーグ=スティルチェス積分 は右辺の通常のルベーグ積分 と一致する。

脚注

注釈

出典

文献

関連項目 微分積分学の基本定理 ルベーグ=スティルチェス積分 ラドン=ニコディムの定理 ワイエルシュトラス置換 オイラー置換