面積の計算【定積分と面積・2曲線間の面積】
定積分は「符号付き面積」を表しますが、実際の面積を求めるには符号に注意が必要です。グラフを描いて x 軸との位置関係を確認しながら計算する習慣をつけましょう。
1. 定積分と面積の関係
f(x)≥0 のとき、曲線 y=f(x) と x 軸の間の面積 S は:
S=∫abf(x)dx
しかし f(x)<0 の部分では定積分は負の値になるため、面積を求めるには絶対値を取る必要があります。
S=∫ab∣f(x)∣dx
2. x 軸との面積
2.1. f(x)≥0 の場合
面積 = ∫abf(x)dx(そのまま計算)
2.2. f(x)≤0 の場合
面積 = −∫abf(x)dx(符号を反転)
2.3. 途中で符号が変わる場合
区間 [a,b] の中で f(x)=0 となる点 c(a<c<b)があるとき:
S=∫acf(x)dx−∫cbf(x)dx(符号が +→− の場合)
実際には ∫ab∣f(x)∣dx を区間を分けて計算します。
2.4. 例題1:x 軸との面積(符号変化あり)
曲線 y=x2−4 と x 軸で囲まれた面積を求めよ。
解答
x2−4=0⇒x=±2
−2≤x≤2 では f(x)=x2−4≤0
S=−∫−22(x2−4)dx
偶関数なので:
=−2∫02(x2−4)dx=−2[3x3−4x]02=−2(38−8)=−2×(−316)=332
S=332
3. 2 曲線間の面積
2 つの曲線 y=f(x) と y=g(x) で f(x)≥g(x) のとき、2 曲線間の面積:
S=∫ab{f(x)−g(x)}dx
a、b は 2 曲線の交点の x 座標です。
3.1. 例題2:2 曲線間の面積
y=x2 と y=x+2 で囲まれた面積を求めよ。
解答
交点を求める:
x2=x+2⇒x2−x−2=(x−2)(x+1)=0⇒x=−1,2
−1≤x≤2 で x+2≥x2(直線が上):
S=∫−12(x+2−x2)dx=[2x2+2x−3x3]−12
=(2+4−38)−(21−2+31)
=(6−38)−(−67)
=318−8+67=310+67=620+67=627=29
S=29
4. 面積計算の便利な公式
4.1. 二次曲線と直線で囲まれた面積
y=ax2+⋯ と直線 y=ℓ(x) の交点が x=α,β のとき:
S=6∣a∣(β−α)3
例題2 で確認:a=1(x2 の係数)、α=−1、β=2
S=61(2−(−1))3=61×27=29✓
4.2. 三次曲線と直線で囲まれた面積
y=ax3+⋯ と直線が 2 か所で交わる場合は成立しませんが、同じ三次曲線が接線と接して囲む面積には:
S=12∣a∣(β−α)4(三次曲線が接する場合)
5. 例題3:面積計算(符号変化を含む)
y=x3−x と x 軸で囲まれた面積の合計を求めよ。
解答
x3−x=x(x−1)(x+1)=0⇒x=−1,0,1
- −1≤x≤0:f(x)≤0
- 0≤x≤1:f(x)≥0
S1=−∫−10(x3−x)dx,S2=∫01(x3−x)dx
∫(x3−x)dx=4x4−2x2
∫−10(x3−x)dx=0−(41−21)=41
S1=−41×(−1)=41
∫01(x3−x)dx=(41−21)−0=−41
S2=−(−41)=41
対称性から確認できます(f(x)=x3−x は奇関数)。
S=S1+S2=41+41=21
6. 例題4:2 放物線で囲まれた面積
y=x2−2x と y=−x2+4 で囲まれた面積を求めよ。
解答
交点:x2−2x=−x2+4⇒2x2−2x−4=0⇒x2−x−2=(x−2)(x+1)=0
x=−1,2
−1≤x≤2 で −x2+4≥x2−2x(確認:x=0 を代入 → 4≥0 ✓):
S=∫−12{(−x2+4)−(x2−2x)}dx=∫−12(−2x2+2x+4)dx
=[−32x3+x2+4x]−12
=(−316+4+8)−(32+1−4)=(3−16+36)−(32−9)=320−(−37)=327=9
S=9
7. まとめ
| 状況 |
面積の計算方法 |
| f(x)≥0 |
∫abf(x)dx |
| f(x)≤0 |
−∫abf(x)dx |
| 符号が変わる |
区間を分けて絶対値を取る |
| 2 曲線間 |
∫ab∣f(x)−g(x)∣dx |
| 放物線と直線 |
6∣a∣(β−α)3(公式) |
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9. クイズ
問題1:y=x2−1 と x 軸で囲まれた面積を求めよ。
答えを見る
交点:x=±1、−1≤x≤1 で f(x)≤0
S=−∫−11(x2−1)dx=−2∫01(x2−1)dx=−2[3x3−x]01=−2(31−1)=34
問題2:y=x2 と y=2x で囲まれた面積を求めよ。
答えを見る
交点:x2=2x⇒x(x−2)=0⇒x=0,2
0≤x≤2 で 2x≥x2:
S=∫02(2x−x2)dx=[x2−3x3]02=4−38=34
または公式:S=61(2−0)3=68=34 ✓
問題3:y=x3−3x2 と直線 y=−4 で囲まれた面積を求めよ。
答えを見る
交点:x3−3x2=−4⇒x3−3x2+4=(x+1)(x−2)2=0⇒x=−1,2
−1≤x≤2 で f(x)−(−4)=x3−3x2+4≥0(境界が交点なので確認不要):
S=∫−12(x3−3x2+4)dx=[4x4−x3+4x]−12
=(4−8+8)−(41+1−4)=4−(−411)=4+411=427