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.,のグラフが、の範囲で囲む部分の図形の面積を求める。
[解答] 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、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。
......[答]
例2. 2曲線、,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。
[解答] ,として、
とがにおいて接する ⇔ ・・・@ かつ ・・・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,で囲まれる部分の面積から、とx軸,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、,より、はx軸とで交わります。
∴
......[答]
例3. 楕円: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、
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:を引いて、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。
よって、積分は、半径aの円の面積の,即ち、に等しく(置換積分(その2)を参照)、
......[答]
この結果は、記憶してください。
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。
[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。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、,y:のとき、θ:
∴
とおくと、,θ:のとき、t:
∴ ......[答]
例5. 曲線: (,),x軸,直線,直線で囲まれる部分の面積を求める。
[解答] のとき、
∴
より、
のとき、
∴
より、
をyで微分すると、
において、 (逆関数の微分法を参照)
のとき、
従って、は、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。
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。
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頂点とする長方形を取り除き、さらに、曲線:とy軸,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。
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、
よって、求める面積Sは、
......[答]
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