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 x 軸の間の面積
f(x)≥0 のとき、曲線 y=f(x) と x 軸の間の面積は
S=∫abf(x)dx
f(x) が負になる区間がある場合は、絶対値を使います。
S=∫ab∣f(x)∣dx
1.2. 2曲線で囲まれた面積
曲線 y=f(x) と y=g(x) の間の面積([a,b] で f(x)≥g(x))は
S=∫ab[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=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx
1.3. 媒介変数表示の曲線の面積
x=f(t)、y=g(t)(f は単調)で表された曲線と x 軸の間の面積:
S=∫αβg(t)f′(t)dt(積分の向きに注意)
2. 例題(面積)
問題1: y=x2 と y=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⟹x2−x−2=0⟹(x−2)(x+1)=0⟹x=−1,2
区間 [−1,2] で x+2≥x2 なので
S=∫−12[(x+2)−x2]dx=∫−12(−x2+x+2)dx
=[−3x3+2x2+2x]−12
=(−38+2+4)−(31+21−2)
=310−(−67)=620+67=627=29
3. 回転体の体積
3.1. x 軸のまわりの回転体
曲線 y=f(x) を x 軸のまわりに回転させてできる回転体の体積は
V=π∫ab[f(x)]2dx
考え方: x から x+dx の薄い円板(半径 ∣f(x)∣、厚さ dx)の体積 π[f(x)]2dx を積分します。
3.2. 2曲線の間の回転体
V=π∫ab[{f(x)}2−{g(x)}2]dx(f(x)≥g(x)≥0)
3.3. y 軸のまわりの回転体
x=h(y) の形に整理して
V=π∫cd[h(y)]2dy
4. 例題(体積)
問題2: 曲線 y=x と直線 x=4、x 軸で囲まれた図形を x 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=π∫04(x)2dx=π∫04xdx=π[2x2]04=π⋅8=8π
問題3: y=x2 と y=x で囲まれた図形を x 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(x−1)=0⟹x=0,1。区間 [0,1] で x≥x2。
V=π∫01[x2−(x2)2]dx=π∫01(x2−x4)dx
=π[3x3−5x5]01=π(31−51)=152π
5. 曲線の長さ
5.1. y=f(x) の場合
曲線 y=f(x)(a≤x≤b)の長さは
L=∫ab1+(dxdy)2dx=∫ab1+[f′(x)]2dx
考え方: 微小区間 dx における曲線の長さを (dx)2+(dy)2=1+(dxdy)2dx と近似して積分します。
5.2. 媒介変数表示 x=f(t)、y=g(t) の場合
L=∫αβ(dtdx)2+(dtdy)2dt
6. 例題(曲線の長さ)
問題4: 曲線 y=32x3/2(0≤x≤3)の長さを求めなさい。
解答:
dxdy=32⋅23x1/2=x1/2=x
L=∫031+(x)2dx=∫031+xdx
=[32(1+x)3/2]03=32(43/2−13/2)=32(8−1)=314
問題5(媒介変数): サイクロイド x=t−sint、y=1−cost(0≤t≤2π)の一周期の長さを求めなさい。
解答:
dtdx=1−cost,dtdy=sint
(dtdx)2+(dtdy)2=(1−cost)2+sin2t
=1−2cost+cos2t+sin2t=2−2cost=2(1−cost)
半角公式 1−cost=2sin22t を使うと
2(1−cost)=4sin22t=2sin2t=2sin2t(0≤t≤2π)
L=∫02π2sin2tdt=[−4cos2t]02π=−4cosπ+4cos0=4+4=8
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7. クイズ
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曲線 y=sinx(0≤x≤π)と x 軸で囲まれた面積はいくらですか?
正解: 2
S=∫0πsinxdx=[−cosx]0π=1+1=2。
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曲線 y=x2(0≤x≤2)を x 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: 532π
V=π∫02(x2)2dx=π∫02x4dx=π[5x5]02=532π。
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y=2x2 の 0≤x≤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: dxdy=x なので L=∫021+x2dx。