定積分と面積
(
その
2)
関連問題
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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