放物線と直線が囲む面積

放物線と直線が囲む面積は、交点の間隔だけで決まります。y=x2y = x^2 と y=2x+3y = 2x + 3 で確かめます。

交点を求める

x2=2x+3x^2 = 2x + 3、つまり x2−2x−3=(x−3)(x+1)=0x^2 - 2x - 3 = (x - 3)(x + 1) = 0 より x=−1x = -1 と x=3x = 3 です。座標は (−1,1)(-1, 1) と (3,9)(3, 9) になります。

そのまま積分する

この区間では直線が上なので、面積は次のようになります。

∫−13(2x+3−x2) dx=[x2+3x−x33]−13=9−(−53)=323\int_{-1}^{3} (2x + 3 - x^2) \, dx = \left[ x^2 + 3x - \frac{x^3}{3} \right]_{-1}^{3} = 9 - \left( -\frac{5}{3} \right) = \frac{32}{3}

交点の間隔だけから出す

交点を α\alpha、β\beta(α<β\alpha < \beta)とすると、被積分関数は −(x−α)(x−β)-(x - \alpha)(x - \beta) と因数分解できます。

∫αβ−(x−α)(x−β) dx=(β−α)36\int_{\alpha}^{\beta} -(x - \alpha)(x - \beta) \, dx = \frac{(\beta - \alpha)^3}{6}

ここでは (3−(−1))36=646=323\dfrac{(3 - (-1))^3}{6} = \dfrac{64}{6} = \dfrac{32}{3} で一致します。これを 16\dfrac{1}{6} 公式といいます。

求め方計算結果
原始関数から9−(−53)9 - \left( -\dfrac{5}{3} \right)323\dfrac{32}{3}
16\dfrac{1}{6} 公式436\dfrac{4^3}{6}323\dfrac{32}{3}

係数がある場合

x2x^2 の係数が 11 でない場合は、その分だけ倍になります。y=ax2+bx+cy = ax^2 + bx + c と直線の囲む面積は ∣a∣(β−α)36\dfrac{|a| (\beta - \alpha)^3}{6} です。放物線どうしが囲む面積でも、x2x^2 の係数の差を aa として同じ形の公式が使えます。

33 乗で増える

面積が間隔の 33 乗で増えるところが面白い点です。

交点の間隔面積(係数 11)
1116\dfrac{1}{6}
2286\dfrac{8}{6}
44646\dfrac{64}{6}

間隔が 22 倍になると面積は 88 倍になります。

交点を求めた時点で答えが出るので、原始関数を計算する必要はありません。−1-1 と 33 という値が分かれば、436\dfrac{4^3}{6} を計算するだけで済みます。

グラフの放物線が y=x2y = x^2、直線が y=2x+3y = 2x + 3 で、大きな点は交点です。