【統計検定準1級対策】部分積分のやり方と過去問演習(完全版・途中式あり)

統計

1. 部分積分の公式

まず、微分の公式:ddx(uv)=u′v+uv′\frac{d}{dx}(uv) = u’v + uv’

両辺を積分すると:∫ddx(uv) dx=∫u′v dx+∫uv′ dx\int \frac{d}{dx}(uv)\,dx = \int u’v\,dx + \int uv’\,dx

左辺は:uvuv

よって:uv=∫u′v dx+∫uv′ dxuv = \int u’v\,dx + \int uv’\,dx

これを整理すると👇

∫u dv=uv−∫v du\int u \, dv = uv – \int v \, du∫udv=uv−∫vdu


2. 例題(超重要:途中式フル解説)

問題

∫0∞tλe−λtdt\int_0^\infty t \lambda e^{-\lambda t} dt


Step1:定数を外に出す

=λ∫0∞te−λtdt= \lambda \int_0^\infty t e^{-\lambda t} dt


Step2:部分積分の準備

u=t,dv=e−λtdtu = t,\quad dv = e^{-\lambda t} dt


Step3:それぞれ計算

du=dtdu = dtv=∫e−λtdtv = \int e^{-\lambda t} dt

ここを丁寧に:∫e−λtdt\int e^{-\lambda t} dt∫e−λtdt

置換 x=−λtx = -\lambda tx=−λt とすると:=−1λe−λt= -\frac{1}{\lambda} e^{-\lambda t}=−λ1​e−λt


Step4:公式に代入

∫te−λtdt=t(−1λe−λt)−∫(−1λe−λt)dt\int t e^{-\lambda t} dt = t \left(-\frac{1}{\lambda} e^{-\lambda t}\right) – \int \left(-\frac{1}{\lambda} e^{-\lambda t}\right) dt


Step5:整理

=−tλe−λt+1λ∫e−λtdt= -\frac{t}{\lambda} e^{-\lambda t} + \frac{1}{\lambda} \int e^{-\lambda t} dt


Step6:残りの積分

∫e−λtdt=−1λe−λt\int e^{-\lambda t} dt = -\frac{1}{\lambda} e^{-\lambda t}∫e−λtdt=−λ1​e−λt

代入:=−tλe−λt−1λ2e−λt= -\frac{t}{\lambda} e^{-\lambda t} – \frac{1}{\lambda^2} e^{-\lambda t}=−λt​e−λt−λ21​e−λt


Step7:定積分に戻す

元の式:λ∫0∞te−λtdt\lambda \int_0^\infty t e^{-\lambda t} dtλ∫0∞​te−λtdt

なので:=λ[−tλe−λt−1λ2e−λt]0∞= \lambda \left[ -\frac{t}{\lambda} e^{-\lambda t} – \frac{1}{\lambda^2} e^{-\lambda t} \right]_0^\infty=λ[−λt​e−λt−λ21​e−λt]0∞​


Step8:λを分配

=[−te−λt−1λe−λt]0∞= \left[ – t e^{-\lambda t} – \frac{1}{\lambda} e^{-\lambda t} \right]_0^\infty=[−te−λt−λ1​e−λt]0∞​


Step9:極限の評価(最重要)

上端 t→∞t \to \inftyt→∞

te−λt→0,e−λt→0t e^{-\lambda t} \to 0,\quad e^{-\lambda t} \to 0te−λt→0,e−λt→0

👉 全体 → 0


下端 t=0t = 0t=0

−0⋅1−1λ⋅1=−1λ-0 \cdot 1 – \frac{1}{\lambda} \cdot 1 = -\frac{1}{\lambda}−0⋅1−λ1​⋅1=−λ1​


Step10:差をとる

(上端)−(下端)=0−(−1λ)=1λ(上端) – (下端) = 0 – \left(-\frac{1}{\lambda}\right) = \frac{1}{\lambda}(上端)−(下端)=0−(−λ1​)=λ1​


✔ 最終結果

∫0∞tλe−λtdt=1λ\int_0^\infty t \lambda e^{-\lambda t} dt = \frac{1}{\lambda}∫0∞​tλe−λtdt=λ1​


3. 応用:2回部分積分(分散計算)

問題

∫0∞t2λe−λtdt\int_0^\infty t^2 \lambda e^{-\lambda t} dt∫0∞​t2λe−λtdt


Step1

=λ∫0∞t2e−λtdt= \lambda \int_0^\infty t^2 e^{-\lambda t} dt=λ∫0∞​t2e−λtdt


Step2(1回目)

u=t2,dv=e−λtdtu = t^2,\quad dv = e^{-\lambda t} dtu=t2,dv=e−λtdt =−t2λe−λt+2λ∫te−λtdt= -\frac{t^2}{\lambda} e^{-\lambda t} + \frac{2}{\lambda} \int t e^{-\lambda t} dt=−λt2​e−λt+λ2​∫te−λtdt


Step3(2回目)

さっきの結果を使う:∫te−λtdt=−tλe−λt−1λ2e−λt\int t e^{-\lambda t} dt = -\frac{t}{\lambda} e^{-\lambda t} – \frac{1}{\lambda^2} e^{-\lambda t}∫te−λtdt=−λt​e−λt−λ21​e−λt


Step4:代入

=−t2λe−λt+2λ(−tλe−λt−1λ2e−λt)= -\frac{t^2}{\lambda} e^{-\lambda t} + \frac{2}{\lambda} \left( -\frac{t}{\lambda} e^{-\lambda t} – \frac{1}{\lambda^2} e^{-\lambda t} \right)=−λt2​e−λt+λ2​(−λt​e−λt−λ21​e−λt)


Step5:整理

=−t2λe−λt−2tλ2e−λt−2λ3e−λt= -\frac{t^2}{\lambda} e^{-\lambda t} – \frac{2t}{\lambda^2} e^{-\lambda t} – \frac{2}{\lambda^3} e^{-\lambda t}=−λt2​e−λt−λ22t​e−λt−λ32​e−λt


Step6:定積分評価

境界項はすべて0になるので:=2λ2= \frac{2}{\lambda^2}=λ22​


4. 重要ポイントまとめ

✔ 技術面

  • λは最初に外に出す
  • 指数は積分すると形が保たれる
  • 多項式は微分で消える

✔ 極限処理

tne−λt→0t^n e^{-\lambda t} \to 0tne−λt→0

👉 試験では「前提知識」


✔ 思考の本質

「減らしたいもの(多項式)を u にする」


まとめ

部分積分は:

  • 手順は単純
  • だが「途中式の精度」が合否を分ける

特に統計では:

期待値・分散の計算そのもの

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