理系ハウス

面積・体積・曲線の長さ【定積分の応用】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1.1. 曲線と xxx 軸の間の面積

    S=abf(x)dxS = \int_a^b f(x)\, dx
  • 1.1. 曲線と xxx 軸の間の面積

    S=abf(x)dxS = \int_a^b |f(x)|\, dx
  • 1.2. 2曲線で囲まれた面積

    S=ab[f(x)g(x)]dxS = \int_a^b [f(x) - g(x)]\, dx
  • 1.2. 2曲線で囲まれた面積

    S=abf(x)g(x)dxS = \int_a^b |f(x) - g(x)|\, dx
  • 1.3. 媒介変数表示の曲線の面積

    S=αβg(t)f(t)dt(積分の向きに注意)S = \int_\alpha^\beta g(t)\, f'(t)\, dt \quad \text{(積分の向きに注意)}
  • 3.1. xxx 軸のまわりの回転体

    V=πab[f(x)]2dxV = \pi\int_a^b [f(x)]^2\, dx
  • 3.2. 2曲線の間の回転体

    V=πab[{f(x)}2{g(x)}2]dx(f(x)g(x)0)V = \pi\int_a^b \left[\{f(x)\}^2 - \{g(x)\}^2\right]\, dx \quad (f(x) \geq g(x) \geq 0)
  • 3.3. yyy 軸のまわりの回転体

    V=πcd[h(y)]2dyV = \pi\int_c^d [h(y)]^2\, dy
  • 5.1. y=f(x)y = f(x)y=f(x) の場合

    L=ab1+(dydx)2dx=ab1+[f(x)]2dxL = \int_a^b \sqrt{1 + \left(\frac{dy}{dx}\right)^2}\, dx = \int_a^b \sqrt{1 + [f'(x)]^2}\, dx
  • 5.2. 媒介変数表示 x=f(t)x = f(t)x=f(t)、y=g(t)y = g(t)y=g(t) の場合

    L=αβ(dxdt)2+(dydt)2dtL = \int_\alpha^\beta \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\, dt

面積・体積・曲線の長さ【定積分の応用】

定積分の最も重要な応用が、面積・体積・曲線の長さの計算です。それぞれ「無限に小さな量を足し合わせる」という積分の本質的な考え方から公式が導かれます。

1. 面積

1.1. 曲線と xx 軸の間の面積

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

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

f(x)f(x) が負になる区間がある場合は、絶対値を使います。

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

1.2. 2曲線で囲まれた面積

曲線 y=f(x)y = f(x)y=g(x)y = g(x) の間の面積([a,b][a, b]f(x)g(x)f(x) \geq g(x))は

S=ab[f(x)g(x)]dxS = \int_a^b [f(x) - g(x)]\, dx

一般には符号を気にしなくてよいよう絶対値を使います:

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

1.3. 媒介変数表示の曲線の面積

x=f(t)x = f(t)y=g(t)y = g(t)ff は単調)で表された曲線と xx 軸の間の面積:

S=αβg(t)f(t)dt(積分の向きに注意)S = \int_\alpha^\beta g(t)\, f'(t)\, dt \quad \text{(積分の向きに注意)}

2. 例題(面積)

問題1: y=x2y = x^2y=x+2y = x + 2 で囲まれた図形の面積を求めなさい。

解答:

交点: x2=x+2    x2x2=0    (x2)(x+1)=0    x=1,2x^2 = x + 2 \implies x^2 - x - 2 = 0 \implies (x-2)(x+1) = 0 \implies x = -1, 2

区間 [1,2][-1, 2]x+2x2x + 2 \geq x^2 なので

S=12[(x+2)x2]dx=12(x2+x+2)dxS = \int_{-1}^{2} [(x+2) - x^2]\, dx = \int_{-1}^{2}(-x^2 + x + 2)\, dx =[x33+x22+2x]12= \left[-\frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + 2x\right]_{-1}^{2} =(83+2+4)(13+122)= \left(-\frac{8}{3} + 2 + 4\right) - \left(\frac{1}{3} + \frac{1}{2} - 2\right) =103(76)=206+76=276=92= \frac{10}{3} - \left(-\frac{7}{6}\right) = \frac{20}{6} + \frac{7}{6} = \frac{27}{6} = \frac{9}{2}

3. 回転体の体積

3.1. xx 軸のまわりの回転体

曲線 y=f(x)y = f(x)xx 軸のまわりに回転させてできる回転体の体積は

V=πab[f(x)]2dxV = \pi\int_a^b [f(x)]^2\, dx

考え方: xx から x+dxx + dx の薄い円板(半径 f(x)|f(x)|、厚さ dxdx)の体積 π[f(x)]2dx\pi[f(x)]^2\, dx を積分します。

3.2. 2曲線の間の回転体

V=πab[{f(x)}2{g(x)}2]dx(f(x)g(x)0)V = \pi\int_a^b \left[\{f(x)\}^2 - \{g(x)\}^2\right]\, dx \quad (f(x) \geq g(x) \geq 0)

3.3. yy 軸のまわりの回転体

x=h(y)x = h(y) の形に整理して

V=πcd[h(y)]2dyV = \pi\int_c^d [h(y)]^2\, dy

4. 例題(体積)

問題2: 曲線 y=xy = \sqrt{x} と直線 x=4x = 4xx 軸で囲まれた図形を xx 軸のまわりに回転させた回転体の体積を求めなさい。

解答:

V=π04(x)2dx=π04xdx=π[x22]04=π8=8πV = \pi\int_0^4 (\sqrt{x})^2\, dx = \pi\int_0^4 x\, dx = \pi\left[\frac{x^2}{2}\right]_0^4 = \pi \cdot 8 = 8\pi

問題3: y=x2y = x^2y=xy = x で囲まれた図形を xx 軸のまわりに回転させた立体の体積を求めなさい。

解答:

交点: x2=x    x(x1)=0    x=0,1x^2 = x \implies x(x-1) = 0 \implies x = 0, 1。区間 [0,1][0,1]xx2x \geq x^2

V=π01[x2(x2)2]dx=π01(x2x4)dxV = \pi\int_0^1 [x^2 - (x^2)^2]\, dx = \pi\int_0^1 (x^2 - x^4)\, dx =π[x33x55]01=π(1315)=2π15= \pi\left[\frac{x^3}{3} - \frac{x^5}{5}\right]_0^1 = \pi\left(\frac{1}{3} - \frac{1}{5}\right) = \frac{2\pi}{15}

5. 曲線の長さ

5.1. y=f(x)y = f(x) の場合

曲線 y=f(x)y = f(x)axba \leq x \leq b)の長さは

L=ab1+(dydx)2dx=ab1+[f(x)]2dxL = \int_a^b \sqrt{1 + \left(\frac{dy}{dx}\right)^2}\, dx = \int_a^b \sqrt{1 + [f'(x)]^2}\, dx

考え方: 微小区間 dxdx における曲線の長さを (dx)2+(dy)2=1+(dydx)2dx\sqrt{(dx)^2 + (dy)^2} = \sqrt{1 + \left(\frac{dy}{dx}\right)^2}\, dx と近似して積分します。

5.2. 媒介変数表示 x=f(t)x = f(t)y=g(t)y = g(t) の場合

L=αβ(dxdt)2+(dydt)2dtL = \int_\alpha^\beta \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\, dt

6. 例題(曲線の長さ)

問題4: 曲線 y=23x3/2y = \dfrac{2}{3}x^{3/2}0x30 \leq x \leq 3)の長さを求めなさい。

解答:

dydx=2332x1/2=x1/2=x\frac{dy}{dx} = \frac{2}{3} \cdot \frac{3}{2}x^{1/2} = x^{1/2} = \sqrt{x} L=031+(x)2dx=031+xdxL = \int_0^3 \sqrt{1 + (\sqrt{x})^2}\, dx = \int_0^3 \sqrt{1 + x}\, dx =[23(1+x)3/2]03=23(43/213/2)=23(81)=143= \left[\frac{2}{3}(1+x)^{3/2}\right]_0^3 = \frac{2}{3}(4^{3/2} - 1^{3/2}) = \frac{2}{3}(8 - 1) = \frac{14}{3}

問題5(媒介変数): サイクロイド x=tsintx = t - \sin ty=1costy = 1 - \cos t0t2π0 \leq t \leq 2\pi)の一周期の長さを求めなさい。

解答:

dxdt=1cost,dydt=sint\frac{dx}{dt} = 1 - \cos t, \quad \frac{dy}{dt} = \sin t (dxdt)2+(dydt)2=(1cost)2+sin2t\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2 = (1-\cos t)^2 + \sin^2 t =12cost+cos2t+sin2t=22cost=2(1cost)= 1 - 2\cos t + \cos^2 t + \sin^2 t = 2 - 2\cos t = 2(1 - \cos t)

半角公式 1cost=2sin2t21 - \cos t = 2\sin^2\dfrac{t}{2} を使うと

2(1cost)=4sin2t2=2sint2=2sint2(0t2π)\sqrt{2(1-\cos t)} = \sqrt{4\sin^2\frac{t}{2}} = 2\left|\sin\frac{t}{2}\right| = 2\sin\frac{t}{2} \quad (0 \leq t \leq 2\pi) L=02π2sint2dt=[4cost2]02π=4cosπ+4cos0=4+4=8L = \int_0^{2\pi} 2\sin\frac{t}{2}\, dt = \left[-4\cos\frac{t}{2}\right]_0^{2\pi} = -4\cos\pi + 4\cos 0 = 4 + 4 = 8

関連記事: 定積分の計算 / 置換積分・部分積分

7. クイズ

  1. 曲線 y=sinxy = \sin x0xπ0 \leq x \leq \pi)と xx 軸で囲まれた面積はいくらですか?

    正解: 22 S=0πsinxdx=[cosx]0π=1+1=2S = \int_0^{\pi}\sin x\, dx = [-\cos x]_0^{\pi} = 1 + 1 = 2

  2. 曲線 y=x2y = x^20x20 \leq x \leq 2)を xx 軸のまわりに回転させた立体の体積はいくらですか?

    正解: 32π5\dfrac{32\pi}{5} V=π02(x2)2dx=π02x4dx=π[x55]02=32π5V = \pi\int_0^2 (x^2)^2\, dx = \pi\int_0^2 x^4\, dx = \pi\left[\dfrac{x^5}{5}\right]_0^2 = \dfrac{32\pi}{5}

  3. y=x22y = \dfrac{x^2}{2}0x20 \leq x \leq 2 における曲線の長さを求める式を書きなさい(計算まで不要)。

    正解: dydx=x\dfrac{dy}{dx} = x なので L=021+x2dxL = \displaystyle\int_0^2 \sqrt{1+x^2}\, dx

#面積#体積#回転体#曲線の長さ#定積分の応用#数学III