定積分と面積(その2)   関連問題
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この項目は、不定積分の公式、定積分と面積を参照してください。
 例1.
例1. ,
, のグラフが、
のグラフが、 の範囲で囲む部分の図形の面積を求める。
の範囲で囲む部分の図形の面積を求める。
[解答]  として、
として、


∴  ,
,
∴ 
面積を求める部分は、右図で黄色に塗られた部分。 ,
, のグラフは、
のグラフは、 に関して対称だから、求める面積Sは、
に関して対称だから、求める面積Sは、 において、両グラフが囲む部分の面積の2倍に等しい。
において、両グラフが囲む部分の面積の2倍に等しい。

 
 
 
 
  ......[答]
 ......[答]
 例2. 2曲線、
例2. 2曲線、 ,
, が
が において接するようにa,bを定め、2曲線とx軸,y軸とで囲まれる部分の面積を求める。
において接するようにa,bを定め、2曲線とx軸,y軸とで囲まれる部分の面積を求める。
[解答]  ,
, として、
として、
 と
と が
が において接する ⇔
において接する ⇔  ・・・@ かつ
 ・・・@ かつ  ・・・A
 ・・・A
 ,
,
@より、
Aより、
よって、
面積を求める部分は右図で黄色く塗られている部分。求める面積Sは、 とx軸,y軸,
とx軸,y軸, で囲まれる部分の面積から、
で囲まれる部分の面積から、 とx軸,
とx軸, で囲まれる部分の面積を引いたものになります。
で囲まれる部分の面積を引いたものになります。
また、 とおくと、
とおくと、 ,
, より、
より、 はx軸と
はx軸と で交わります。
で交わります。
∴ 
 
  ......[答]
 ......[答]
 例3. 楕円:
例3. 楕円: が囲む部分の面積を求める。
が囲む部分の面積を求める。
[解答] yについて解くと、
複号の+は、楕円のx軸から上側の部分、−は、楕円のx軸から下の部分を表します。
曲線の存在範囲(定義域)は、根号内を0以上として、 より、
より、
求める面積Sは、曲線の上側の部分を表す式: から下側の部分を著す式:
から下側の部分を著す式: を引いて、
を引いて、 からaまで積分すれば求められます。
からaまで積分すれば求められます。
∴ 
 
被積分関数をyとおくと、
両辺を2乗すると、 より、原点を中心とする半径aの円。
より、原点を中心とする半径aの円。
よって、積分は、半径aの円の面積の ,即ち、
,即ち、 に等しく(置換積分(その2)を参照)、
に等しく(置換積分(その2)を参照)、
 ......[答]
 ......[答]
この結果は、記憶してください。
 例4. 媒介変数表示、
例4. 媒介変数表示、 ,
, (
 ( )により与えられる曲線の囲む面積を求める。
)により与えられる曲線の囲む面積を求める。
[解答] θ が0からπまで動く間に、yは、0から1となり0に戻ります。xは、0から1になり0に戻って まで行き0に戻ります。グラフは右図のようになります(正確には、微分して増減を調べること。
まで行き0に戻ります。グラフは右図のようになります(正確には、微分して増減を調べること。 のとき、
のとき、 ,
, ,
, のとき、
のとき、 ,
, ,
, のとき、
のとき、 ,
, )。
)。
求める面積Sは、xをyについて の範囲で積分したもの(
の範囲で積分したもの( の部分の面積)の2倍です。つまり、
の部分の面積)の2倍です。つまり、

xがθ の関数で与えられているので、yでは積分ができません。そこで、xをθ で表しておいて、置換積分により、yの積分をθ の積分に直します。
 より、
より、 ,y:
,y: のとき、θ:
のとき、θ:
∴ 
 
 
 とおくと、
とおくと、 ,θ:
,θ: のとき、t:
のとき、t:
∴  ......[答]
 ......[答]
 例5. 曲線:
例5. 曲線: (
 ( ,
, ),x軸,直線
),x軸,直線 ,直線
,直線 で囲まれる部分の面積を求める。
で囲まれる部分の面積を求める。
[解答]  のとき、
のとき、
∴ 
 より、
より、
 のとき、
のとき、
∴ 
 より、
より、
 をyで微分すると、
をyで微分すると、

 において、
において、 (逆関数の微分法を参照)
 (逆関数の微分法を参照)
 のとき、
のとき、
従って、 は、
は、 において単調増加であり、求める面積Sは、yをxで、
において単調増加であり、求める面積Sは、yをxで、 の範囲で積分したものになります。
の範囲で積分したものになります。

ところが、 について、yをxで表すことができないのです。これでは、積分が計算できません。
について、yをxで表すことができないのです。これでは、積分が計算できません。
右図において、面積を求める部分は黄色で塗られた部分ですが、これは、原点O, ,
, ,
, を4頂点とする長方形から、原点O,
を4頂点とする長方形から、原点O, ,
, ,
, を4頂点とする長方形を取り除き、さらに、曲線:
を4頂点とする長方形を取り除き、さらに、曲線: とy軸,直線
とy軸,直線 ,直線
,直線 で囲まれる図形A (右図において橙色で塗られた部分)を取り除いたものになります。
で囲まれる図形A (右図において橙色で塗られた部分)を取り除いたものになります。
図形Aの面積なら、xをyで積分することになるので計算できます。図形Aの面積 は、
は、

 
 
よって、求める面積Sは、
 ......[答]
 ......[答]
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