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面積の計算【定積分と面積・2曲線間の面積】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 定積分と面積の関係

    S=abf(x)dxS = \int_a^b f(x)\,dx
  • 1. 定積分と面積の関係

    S=abf(x)dx\boxed{S = \int_a^b |f(x)|\,dx}
  • 2.3. 途中で符号が変わる場合

    S=acf(x)dxcbf(x)dx(符号が + の場合)S = \int_a^c f(x)\,dx - \int_c^b f(x)\,dx \quad \text{(符号が } + \to - \text{ の場合)}
  • 2.4. 例題1:xxx 軸との面積(符号変化あり)

    S=323\boxed{S = \frac{32}{3}}
  • 3. 2 曲線間の面積

    S=ab{f(x)g(x)}dx\boxed{S = \int_a^b \{f(x) - g(x)\}\,dx}
  • 3.1. 例題2:2 曲線間の面積

    S=92\boxed{S = \frac{9}{2}}
  • 4.1. 二次曲線と直線で囲まれた面積

    S=a6(βα)3S = \frac{|a|}{6}(\beta - \alpha)^3
  • 4.1. 二次曲線と直線で囲まれた面積

    S=16(2(1))3=16×27=92S = \frac{1}{6}(2 - (-1))^3 = \frac{1}{6} \times 27 = \frac{9}{2} \quad \checkmark
  • 4.2. 三次曲線と直線で囲まれた面積

    S=a12(βα)4(三次曲線が接する場合)S = \frac{|a|}{12}(\beta - \alpha)^4 \quad \text{(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)

    S=S1+S2=14+14=12S = S_1 + S_2 = \frac{1}{4} + \frac{1}{4} = \boxed{\frac{1}{2}}
  • 6. 例題4:2 放物線で囲まれた面積

    S=9\boxed{S = 9}

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 xx 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)0f(x) \geq 0 のとき、曲線 y=f(x)y = f(x)xx 軸の間の面積 SS は:

S=abf(x)dxS = \int_a^b f(x)\,dx

しかし f(x)<0f(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=abf(x)dx\boxed{S = \int_a^b |f(x)|\,dx}

2. xx 軸との面積

2.1. f(x)0f(x) \geq 0 の場合

面積 = abf(x)dx\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx(そのまま計算)

2.2. f(x)0f(x) \leq 0 の場合

面積 = abf(x)dx-\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx(符号を反転)

2.3. 途中で符号が変わる場合

区間 [a,b][a, b] の中で f(x)=0f(x) = 0 となる点 cca<c<ba < c < b)があるとき:

S=acf(x)dxcbf(x)dx(符号が + の場合)S = \int_a^c f(x)\,dx - \int_c^b f(x)\,dx \quad \text{(符号が } + \to - \text{ の場合)}

実際には abf(x)dx\displaystyle\int_a^b |f(x)|\,dx を区間を分けて計算します。

2.4. 例題1:xx 軸との面積(符号変化あり)

曲線 y=x24y = x^2 - 4xx 軸で囲まれた面積を求めよ。

解答

x24=0x=±2x^2 - 4 = 0 \Rightarrow x = \pm 2

2x2-2 \leq x \leq 2 では f(x)=x240f(x) = x^2 - 4 \leq 0

S=22(x24)dxS = -\int_{-2}^{2}(x^2 - 4)\,dx

偶関数なので:

=202(x24)dx=2[x334x]02=2(838)=2×(163)=323= -2\int_0^2(x^2 - 4)\,dx = -2\left[\frac{x^3}{3} - 4x\right]_0^2 = -2\left(\frac{8}{3} - 8\right) = -2 \times \left(-\frac{16}{3}\right) = \frac{32}{3} S=323\boxed{S = \frac{32}{3}}

3. 2 曲線間の面積

2 つの曲線 y=f(x)y = f(x)y=g(x)y = g(x)f(x)g(x)f(x) \geq g(x) のとき、2 曲線間の面積:

S=ab{f(x)g(x)}dx\boxed{S = \int_a^b \{f(x) - g(x)\}\,dx}

aabb は 2 曲線の交点の xx 座標です。

3.1. 例題2:2 曲線間の面積

y=x2y = x^2y=x+2y = x + 2 で囲まれた面積を求めよ。

解答

交点を求める:

x2=x+2x2x2=(x2)(x+1)=0x=1,  2x^2 = x + 2 \Rightarrow x^2 - x - 2 = (x-2)(x+1) = 0 \Rightarrow x = -1, \; 2

1x2-1 \leq x \leq 2x+2x2x + 2 \geq x^2(直線が上):

S=12(x+2x2)dx=[x22+2xx33]12S = \int_{-1}^{2}(x + 2 - x^2)\,dx = \left[\frac{x^2}{2} + 2x - \frac{x^3}{3}\right]_{-1}^{2} =(2+483)(122+13)= \left(2 + 4 - \frac{8}{3}\right) - \left(\frac{1}{2} - 2 + \frac{1}{3}\right) =(683)(76)= \left(6 - \frac{8}{3}\right) - \left(-\frac{7}{6}\right) =1883+76=103+76=206+76=276=92= \frac{18 - 8}{3} + \frac{7}{6} = \frac{10}{3} + \frac{7}{6} = \frac{20}{6} + \frac{7}{6} = \frac{27}{6} = \frac{9}{2} S=92\boxed{S = \frac{9}{2}}

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+y = ax^2 + \cdots と直線 y=(x)y = \ell(x) の交点が x=α,βx = \alpha, \beta のとき:

S=a6(βα)3S = \frac{|a|}{6}(\beta - \alpha)^3

例題2 で確認:a=1a = 1x2x^2 の係数)、α=1\alpha = -1β=2\beta = 2

S=16(2(1))3=16×27=92S = \frac{1}{6}(2 - (-1))^3 = \frac{1}{6} \times 27 = \frac{9}{2} \quad \checkmark

4.2. 三次曲線と直線で囲まれた面積

y=ax3+y = ax^3 + \cdots 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=a12(βα)4(三次曲線が接する場合)S = \frac{|a|}{12}(\beta - \alpha)^4 \quad \text{(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=x3xy = x^3 - xxx 軸で囲まれた面積の合計を求めよ。

解答

x3x=x(x1)(x+1)=0x=1,0,1x^3 - x = x(x-1)(x+1) = 0 \Rightarrow x = -1, 0, 1
  • 1x0-1 \leq x \leq 0f(x)0f(x) \leq 0
  • 0x10 \leq x \leq 1f(x)0f(x) \geq 0
S1=10(x3x)dx,S2=01(x3x)dxS_1 = -\int_{-1}^{0}(x^3 - x)\,dx, \quad S_2 = \int_0^1(x^3 - x)\,dx (x3x)dx=x44x22\int(x^3 - x)\,dx = \frac{x^4}{4} - \frac{x^2}{2} 10(x3x)dx=0(1412)=14\int_{-1}^{0}(x^3 - x)\,dx = 0 - \left(\frac{1}{4} - \frac{1}{2}\right) = \frac{1}{4} S1=14×(1)=14S_1 = -\frac{1}{4} \times (-1) = \frac{1}{4} 01(x3x)dx=(1412)0=14\int_0^1(x^3 - x)\,dx = \left(\frac{1}{4} - \frac{1}{2}\right) - 0 = -\frac{1}{4} S2=(14)=14S_2 = -\left(-\frac{1}{4}\right) = \frac{1}{4}

対称性から確認できます(f(x)=x3xf(x) = x^3 - x は奇関数)。

S=S1+S2=14+14=12S = S_1 + S_2 = \frac{1}{4} + \frac{1}{4} = \boxed{\frac{1}{2}}

6. 例題4:2 放物線で囲まれた面積

y=x22xy = x^2 - 2xy=x2+4y = -x^2 + 4 で囲まれた面積を求めよ。

解答

交点:x22x=x2+42x22x4=0x2x2=(x2)(x+1)=0x^2 - 2x = -x^2 + 4 \Rightarrow 2x^2 - 2x - 4 = 0 \Rightarrow x^2 - x - 2 = (x-2)(x+1) = 0

x=1,2x = -1, 2

1x2-1 \leq x \leq 2x2+4x22x-x^2 + 4 \geq x^2 - 2x(確認:x=0x = 0 を代入 → 404 \geq 0 ✓):

S=12{(x2+4)(x22x)}dx=12(2x2+2x+4)dxS = \int_{-1}^{2}\{(-x^2+4) - (x^2-2x)\}\,dx = \int_{-1}^{2}(-2x^2 + 2x + 4)\,dx =[2x33+x2+4x]12= \left[-\frac{2x^3}{3} + x^2 + 4x\right]_{-1}^{2} =(163+4+8)(23+14)=(16+363)(293)=203(73)=273=9= \left(-\frac{16}{3} + 4 + 8\right) - \left(\frac{2}{3} + 1 - 4\right) = \left(\frac{-16+36}{3}\right) - \left(\frac{2-9}{3}\right) = \frac{20}{3} - \left(-\frac{7}{3}\right) = \frac{27}{3} = 9 S=9\boxed{S = 9}

7. まとめ

状況 面積の計算方法
f(x)0f(x) \geq 0 abf(x)dx\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx
f(x)0f(x) \leq 0 abf(x)dx-\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx
符号が変わる 区間を分けて絶対値を取る
2 曲線間 abf(x)g(x)dx\displaystyle\int_a^b \lvert f(x) - g(x) \rvert\,dx
放物線と直線 a6(βα)3\dfrac{\lvert a \rvert}{6}(\beta - \alpha)^3(公式)

8. 関連記事


9. クイズ

問題1y=x21y = x^2 - 1xx 軸で囲まれた面積を求めよ。

答えを見る

交点:x=±1x = \pm 11x1-1 \leq x \leq 1f(x)0f(x) \leq 0

S=11(x21)dx=201(x21)dx=2[x33x]01=2(131)=43S = -\int_{-1}^{1}(x^2 - 1)\,dx = -2\int_0^1(x^2 - 1)\,dx = -2\left[\frac{x^3}{3} - x\right]_0^1 = -2\left(\frac{1}{3} - 1\right) = \frac{4}{3}

問題2y=x2y = x^2y=2xy = 2x で囲まれた面積を求めよ。

答えを見る

交点:x2=2xx(x2)=0x=0,2x^2 = 2x \Rightarrow x(x-2) = 0 \Rightarrow x = 0, 2

0x20 \leq x \leq 22xx22x \geq x^2

S=02(2xx2)dx=[x2x33]02=483=43S = \int_0^2(2x - x^2)\,dx = \left[x^2 - \frac{x^3}{3}\right]_0^2 = 4 - \frac{8}{3} = \frac{4}{3}

または公式:S=16(20)3=86=43S = \dfrac{1}{6}(2-0)^3 = \dfrac{8}{6} = \dfrac{4}{3}

問題3y=x33x2y = x^3 - 3x^2 と直線 y=4y = -4 で囲まれた面積を求めよ。

答えを見る

交点:x33x2=4x33x2+4=(x+1)(x2)2=0x=1,2x^3 - 3x^2 = -4 \Rightarrow x^3 - 3x^2 + 4 = (x+1)(x-2)^2 = 0 \Rightarrow x = -1, 2

1x2-1 \leq x \leq 2f(x)(4)=x33x2+40f(x) - (-4) = x^3 - 3x^2 + 4 \geq 0(境界が交点なので確認不要):

S=12(x33x2+4)dx=[x44x3+4x]12S = \int_{-1}^{2}(x^3 - 3x^2 + 4)\,dx = \left[\frac{x^4}{4} - x^3 + 4x\right]_{-1}^{2} =(48+8)(14+14)=4(114)=4+114=274= (4 - 8 + 8) - \left(\frac{1}{4} + 1 - 4\right) = 4 - \left(-\frac{11}{4}\right) = 4 + \frac{11}{4} = \frac{27}{4}
#面積#定積分#2曲線間#積分の応用#積分法#数学II