【数学Ⅱ】積分08:定積分と面積

定積分と面積 積分
さん
さん

今日の板書はこれ!

定積分と面積

区間 \(a\leq x\leq b\) で常に \(\color{#EE4656}{f(x)}\geq \color{#45A3DA}{g(x)}\) のとき、

2曲線 \(y=\color{#EE4656}{f(x)}\)、\(y=\color{#45A3DA}{g(x)}\) と2直線 \(x=a\)、\(x=b\) で囲まれた図形の面積 \(\color{#E9548E}{S}\) は

\(\color{#E9548E}{S}=\int_a^b \{\color{#EE4656}{f(x)}-\color{#45A3DA}{g(x)}\}\,dx\)

  • (上の関数)−(下の関数)を定積分すると、面積が求められる。
  • \(x\) 軸は直線 \(y=0\)として考える。
  • まず図をかき、関数の上下関係と共有点を確認する。
  • 面積は必ず正の値になる。
例題1

放物線 \(y=x^2+1\) と \(x\) 軸および2直線 \(x=1\)、\(x=2\) で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。


▼ 解答

区間 \(1\leq x\leq 2\) で \(x^2+1>0\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_1^2 \{(\color{#EE4656}{x^2+1})-\color{#45A3DA}{0}\}\,dx\)

\(=\left[\frac{1}{3}x^3+x\right]_1^2\)

\(=\frac{1}{3}(2^3-1^3)+(2-1)\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{10}{3}}\)

例題2

放物線 \(y=x^2-4\) と \(x\) 軸で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。


▼ 解答

\(x^2-4=0\) より、\(x=-2,\ 2\)

区間 \(-2\leq x\leq 2\) で \(x^2-4\leq 0\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-2}^2 \{\color{#EE4656}{0}-(\color{#45A3DA}{x^2-4})\}\,dx\)

\(=-\left[\frac{1}{3}x^3-4x\right]_{-2}^2\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{32}{3}}\)

例題3

曲線 \(y=x^3-3x^2+2x\) と \(x\) 軸で囲まれた2つの部分の面積の和 \(S\) を求めよ。


▼ 解答

\(x^3-3x^2+2x=0\) より、\(x=0,\ 1,\ 2\)

区間 \(0\leq x\leq 1\) で \(y\geq 0\)、区間 \(1\leq x\leq 2\) で \(y\leq 0\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_0^1 (x^3-3x^2+2x)\,dx\)

\(\quad +\int_1^2 \{0-(x^3-3x^2+2x)\}\,dx\)

\(=\frac{1}{4}+\frac{1}{4}\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{1}{2}}\)

例題4

放物線 \(y=x^2-1\) と直線 \(y=x+1\) で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。


▼ 解答

\(x^2-1=x+1\) より、\(x=-1,\ 2\)

区間 \(-1\leq x\leq 2\) で \(x+1\geq x^2-1\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-1}^2 \{(\color{#EE4656}{x+1})-(\color{#45A3DA}{x^2-1})\}\,dx\)

\(=\left[-\frac{1}{3}x^3+\frac{1}{2}x^2+2x\right]_{-1}^2\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{9}{2}}\)

生徒
生徒

もっと詳しく願いします!!

現役教員として数学を教えている「さん」と申します。

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でも大丈夫!このサイトでは、私が受けた質問や、つまずきポイントをもとに、わかりやすく解説していきます。

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定積分と面積とは?

さん
さん

これまで定積分の計算を練習してきたね。今回は、その定積分を使って図形の面積を求めるよ!

区間 \(a\leq x\leq b\) で常に \(\color{#EE4656}{f(x)}\geq \color{#45A3DA}{g(x)}\) のとき、

2曲線 \(y=f(x)\)、\(y=g(x)\) と2直線 \(x=a\)、\(x=b\) で囲まれた部分の面積は、定積分で求められます。

生徒
生徒

定積分で面積が求められるんですか?

さん
さん

そうなんだ。まずは、面積がすぐわかる図形で確かめてみよう!

長方形の面積で確かめる(具体例)

2直線 \(y=3\)、\(y=1\) と2直線 \(x=0\)、\(x=3\) で囲まれた部分を考えます。

上の直線は \(y=3\)、下の直線は \(y=1\) です。

この部分は、縦 \(\color{#EE4656}{3}-\color{#45A3DA}{1}=2\)、横 3 の長方形なので、

面積は \(2\cdot 3=\color{#E9548E}{6}\) です。

一方、(上の関数)−(下の関数)を定積分すると、

\(\int_0^3 (\color{#EE4656}{3}-\color{#45A3DA}{1})\,dx=\left[2x\right]_0^3=\color{#E9548E}{6}\)

となり、長方形の面積と一致します。

生徒
生徒

本当に同じになった!

さん
さん

長方形だけじゃなく、曲線で囲まれた部分の面積も、同じように(上の関数)−(下の関数)を定積分すれば求められるんだよ。

2曲線の間の面積に一般化する

区間 \(a\leq x\leq b\) で常に \(\color{#EE4656}{f(x)}\geq \color{#45A3DA}{g(x)}\) のとき、

\(y=f(x)\) が上、\(y=g(x)\) が下にあります。

囲まれた部分の面積 \(\color{#E9548E}{S}\) は、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_a^b \{\color{#EE4656}{f(x)}-\color{#45A3DA}{g(x)}\}\,dx\)

となります。

つまり、(上の関数)−(下の関数)を定積分すれば、面積が求められます。

x 軸は直線 y=0 と考える

\(x\) 軸は直線 \(y=0\)です。

なので、曲線と \(x\) 軸で囲まれた部分の面積も、\(x\) 軸を \(y=0\) として、同じ式で求められます。

曲線が \(x\) 軸より上にあれば、下の関数が 0になり、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_a^b \{\color{#EE4656}{f(x)}-\color{#45A3DA}{0}\}\,dx\)

曲線が \(x\) 軸より下にあれば、上の関数が 0になり、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_a^b \{\color{#EE4656}{0}-\color{#45A3DA}{f(x)}\}\,dx\)

となります。

さん
さん

面積を求めるのに必要なのは、どちらが上かとどこからどこまでか(共有点)だけ。だから、まず図をかいて、求める部分を確認しよう!

例題1:x 軸より上側の面積

例題1

放物線 \(y=x^2+1\) と \(x\) 軸および2直線 \(x=1\)、\(x=2\) で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。

考え方

さん
さん

まず図をかいて、どの部分の面積かを確認しよう!

放物線 \(y=x^2+1\) は、いつも \(x\) 軸より上にあります。

なので、上の関数は \(x^2+1\)、下の関数は \(x\) 軸の \(y=0\) です。

解いてみよう

上の関数は \(y=x^2+1\)、下の関数は \(y=0\)(\(x\) 軸)

なので、面積 \(\color{#E9548E}{S}\) は

\(\color{#E9548E}{S}=\int_1^2 \{(\color{#EE4656}{x^2+1})-\color{#45A3DA}{0}\}\,dx\)

\(=\int_1^2 (x^2+1)\,dx\)

\(=\left[\frac{1}{3}x^3+x\right]_1^2\)

\(=\frac{1}{3}(2^3-1^3)+(2-1)\)

\(=\frac{7}{3}+1\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{10}{3}}\)

となります。

生徒
生徒

面積なのに分数になるんですね!

さん
さん

曲線で囲まれているから、分数になることも多いよ。でも、面積は必ず正の値。もし負になったら、上と下を逆にしていないか確認しよう!

例題2:x 軸より下側の面積

例題2

放物線 \(y=x^2-4\) と \(x\) 軸で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。

考え方

さん
さん

今度は2直線 \(x=a\)、\(x=b\) がないね。区間は、放物線と \(x\) 軸の共有点で決まるよ!

放物線と \(x\) 軸の共有点の \(x\) 座標を求めます。

\(x^2-4=0\) より \((x+2)(x-2)=0\)

よって、 \(x=-2,\ 2\) です。

区間 \(-2\leq x\leq 2\) では、放物線が \(x\) 軸より下にあります。

なので、上の関数は \(x\) 軸の \(y=0\)、下の関数は \(x^2-4\) です。

解いてみよう

上の関数は \(y=0\)(\(x\) 軸)、下の関数は \(y=x^2-4\)

なので、面積 \(\color{#E9548E}{S}\) は

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-2}^2 \{\color{#EE4656}{0}-(\color{#45A3DA}{x^2-4})\}\,dx\)

\(=-\int_{-2}^2 (x^2-4)\,dx\)

\(=-\left[\frac{1}{3}x^3-4x\right]_{-2}^2\)

\(=-\left(-\frac{16}{3}-\frac{16}{3}\right)\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{32}{3}}\)

となります。

生徒
生徒

\(x\) 軸が「上の関数」になるんですね!

さん
さん

そう!\(x\) 軸より下の部分は、\(\color{#EE4656}{0}-\color{#45A3DA}{f(x)}\)を定積分するよ。マイナスをつけ忘れると、答えが負になってしまうから注意しよう!

例題3:x 軸の上と下にまたがる面積

例題3

曲線 \(y=x^3-3x^2+2x\) と \(x\) 軸で囲まれた2つの部分の面積の和 \(S\) を求めよ。

考え方

曲線と \(x\) 軸の共有点の \(x\) 座標を求めます。

\(x^3-3x^2+2x=0\) より \(x(x-1)(x-2)=0\)

よって、 \(x=0,\ 1,\ 2\) です。

区間 \(0\leq x\leq 1\) では曲線が \(x\) 軸より上、区間 \(1\leq x\leq 2\) では曲線が \(x\) 軸より下にあります。

さん
さん

途中で上と下が入れかわるね。だから、\(x=1\) で2つに分けて計算しよう!

解いてみよう

\(0\leq x\leq 1\) の部分の面積を \(\color{#E9548E}{S_1}\) とすると、

\(\color{#E9548E}{S_1}=\int_0^1 \{(\color{#EE4656}{x^3-3x^2+2x})-\color{#45A3DA}{0}\}\,dx\)

\(=\left[\frac{1}{4}x^4-x^3+x^2\right]_0^1\)

\(=\frac{1}{4}\)

\(1\leq x\leq 2\) の部分の面積を \(\color{#E9548E}{S_2}\) とすると、

\(\color{#E9548E}{S_2}=\int_1^2 \{\color{#EE4656}{0}-(\color{#45A3DA}{x^3-3x^2+2x})\}\,dx\)

\(=-\left[\frac{1}{4}x^4-x^3+x^2\right]_1^2\)

\(=-\left(0-\frac{1}{4}\right)\)

\(=\frac{1}{4}\)

よって、面積の和 \(\color{#E9548E}{S}\) は

\(\color{#E9548E}{S}=\color{#E9548E}{S_1}+\color{#E9548E}{S_2}\)

\(=\frac{1}{4}+\frac{1}{4}\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{1}{2}}\)

となります。

生徒
生徒

同じ曲線でも、区間によって上になったり下になったりするんですね!

さん
さん

そうなんだ。\(0\) から \(2\) までまとめて定積分すると、上の部分と下の部分が打ち消し合って 0 になってしまうよ。上下が入れかわるところで分けるのがポイントだね!

例題4:放物線と直線の間の面積

例題4

放物線 \(y=x^2-1\) と直線 \(y=x+1\) で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。

考え方

放物線と直線の共有点の \(x\) 座標を求めます。

\(x^2-1=x+1\) より \(x^2-x-2=0\)

\((x+1)(x-2)=0\) より \(x=-1,\ 2\) です。

区間 \(-1\leq x\leq 2\) では、直線が放物線より上にあります。

なので、上の関数は \(x+1\)、下の関数は \(x^2-1\) です。

さん
さん

どちらが上かわからないときは、区間の中の \(x\) を1つ代入して比べよう。\(x=0\) なら、直線は 1、放物線は \(-1\) だから、直線が上だね!

解いてみよう

上の関数は \(y=x+1\)、下の関数は \(y=x^2-1\)

なので、面積 \(\color{#E9548E}{S}\) は

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-1}^2 \{(\color{#EE4656}{x+1})-(\color{#45A3DA}{x^2-1})\}\,dx\)

\(=\int_{-1}^2 (-x^2+x+2)\,dx\)

\(=\left[-\frac{1}{3}x^3+\frac{1}{2}x^2+2x\right]_{-1}^2\)

\(=\frac{10}{3}-\left(-\frac{7}{6}\right)\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{9}{2}}\)

となります。

生徒
生徒

\(x\) 軸がなくても、上から下を引けばいいんですね!

練習問題

さん
さん

まず図をかいて、共有点と上下関係を確認してから、(上の関数)−(下の関数)を定積分しよう!

練習1

次の放物線と2直線および \(x\) 軸で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。

(1) 放物線 \(y=x^2\)、2直線 \(x=1\)、\(x=3\)

(2) 放物線 \(y=x^2+2\)、2直線 \(x=-1\)、\(x=2\)

答えを見る

(1) 区間 \(1\leq x\leq 3\) で \(x^2>0\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_1^3 \color{#EE4656}{x^2}\,dx\)

\(=\left[\frac{1}{3}x^3\right]_1^3\)

\(=\frac{1}{3}(27-1)\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{26}{3}}\)

(2) 区間 \(-1\leq x\leq 2\) で \(x^2+2>0\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-1}^2 (\color{#EE4656}{x^2+2})\,dx\)

\(=\left[\frac{1}{3}x^3+2x\right]_{-1}^2\)

\(=\frac{1}{3}\{2^3-(-1)^3\}+2\{2-(-1)\}\)

\(=3+6\)

\(\color{#E9548E}{=9}\)

練習2

次の曲線と \(x\) 軸で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。

(1) \(y=2x^2-2\)

(2) \(y=x^2-2x\)

答えを見る

(1) \(2x^2-2=0\) より \(x=-1,\ 1\)

区間 \(-1\leq x\leq 1\) で \(2x^2-2\leq 0\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-1}^1 \{\color{#EE4656}{0}-(\color{#45A3DA}{2x^2-2})\}\,dx\)

\(=\left[-\frac{2}{3}x^3+2x\right]_{-1}^1\)

\(=\frac{4}{3}-\left(-\frac{4}{3}\right)\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{8}{3}}\)

(2) \(x^2-2x=0\) より \(x=0,\ 2\)

区間 \(0\leq x\leq 2\) で \(x^2-2x\leq 0\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_0^2 \{\color{#EE4656}{0}-(\color{#45A3DA}{x^2-2x})\}\,dx\)

\(=\left[-\frac{1}{3}x^3+x^2\right]_0^2\)

\(=-\frac{8}{3}+4\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{4}{3}}\)

練習3

次の曲線と \(x\) 軸で囲まれた2つの部分の面積の和 \(S\) を求めよ。

\(y=x^3-x^2-2x\)

答えを見る

\(x^3-x^2-2x=0\) より \(x(x+1)(x-2)=0\)

よって \(x=-1,\ 0,\ 2\)

区間 \(-1\leq x\leq 0\) で \(y\geq 0\)、区間 \(0\leq x\leq 2\) で \(y\leq 0\) より、

\(\color{#E9548E}{S_1}=\int_{-1}^0 (\color{#EE4656}{x^3-x^2-2x})\,dx\)

\(=\left[\frac{1}{4}x^4-\frac{1}{3}x^3-x^2\right]_{-1}^0\)

\(=0-\left(-\frac{5}{12}\right)=\frac{5}{12}\)

\(\color{#E9548E}{S_2}=\int_0^2 \{\color{#EE4656}{0}-(\color{#45A3DA}{x^3-x^2-2x})\}\,dx\)

\(=-\left[\frac{1}{4}x^4-\frac{1}{3}x^3-x^2\right]_0^2\)

\(=-\left(-\frac{8}{3}\right)=\frac{8}{3}\)

よって \(\color{#E9548E}{S}=\color{#E9548E}{S_1}+\color{#E9548E}{S_2}\)

\(=\frac{5}{12}+\frac{8}{3}\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{37}{12}}\)

練習4

次の曲線や直線で囲まれた部分の面積 \(S\) を求めよ。

(1) \(y=x^2\)、\(y=-x+2\)

(2) \(y=-x^2+3\)、\(y=2x\)

(3) \(y=-x^2+3x\)、\(y=x^2-x-6\)

答えを見る

(1) \(x^2=-x+2\) より \((x+2)(x-1)=0\)

よって \(x=-2,\ 1\)

区間 \(-2\leq x\leq 1\) で \(-x+2\geq x^2\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-2}^1 \{(\color{#EE4656}{-x+2})-\color{#45A3DA}{x^2}\}\,dx\)

\(=\left[-\frac{1}{3}x^3-\frac{1}{2}x^2+2x\right]_{-2}^1\)

\(=\frac{7}{6}-\left(-\frac{10}{3}\right)\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{9}{2}}\)

(2) \(-x^2+3=2x\) より \((x+3)(x-1)=0\)

よって \(x=-3,\ 1\)

区間 \(-3\leq x\leq 1\) で \(-x^2+3\geq 2x\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-3}^1 \{(\color{#EE4656}{-x^2+3})-\color{#45A3DA}{2x}\}\,dx\)

\(=\left[-\frac{1}{3}x^3-x^2+3x\right]_{-3}^1\)

\(=\frac{5}{3}-(-9)\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{32}{3}}\)

(3) \(-x^2+3x=x^2-x-6\) より \(x^2-2x-3=0\)

\((x+1)(x-3)=0\) より \(x=-1,\ 3\)

区間 \(-1\leq x\leq 3\) で \(-x^2+3x\geq x^2-x-6\) より、

\(\color{#E9548E}{S}=\int_{-1}^3 \{(\color{#EE4656}{-x^2+3x})-(\color{#45A3DA}{x^2-x-6})\}\,dx\)

\(=\int_{-1}^3 (-2x^2+4x+6)\,dx\)

\(=\left[-\frac{2}{3}x^3+2x^2+6x\right]_{-1}^3\)

\(=18-\left(-\frac{10}{3}\right)\)

\(\color{#E9548E}{=\frac{64}{3}}\)

まとめ:定積分と面積

さん
さん

さて、今回のまとめだよ!

定積分と面積

区間 \(a\leq x\leq b\) で常に \(\color{#EE4656}{f(x)}\geq \color{#45A3DA}{g(x)}\) のとき、

2曲線 \(y=\color{#EE4656}{f(x)}\)、\(y=\color{#45A3DA}{g(x)}\) と2直線 \(x=a\)、\(x=b\) で囲まれた図形の面積 \(\color{#E9548E}{S}\) は

\(\color{#E9548E}{S}=\int_a^b \{\color{#EE4656}{f(x)}-\color{#45A3DA}{g(x)}\}\,dx\)

(上の関数)−(下の関数)を定積分すると、面積が求められる。

\(x\) 軸は直線 \(y=0\)として考える。

まず図をかき、関数の上下関係と共有点を確認する。

面積は必ず正の値になる。

生徒
生徒

また一つ賢くなった!

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