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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