三角関数の定積分

sinx\sin x の原始関数は cosx-\cos x です。それを使って、正弦曲線の 11 つの山の面積を求めます。

0πsinxdx=[cosx]0π=(1)(1)=2\int_0^{\pi} \sin x \, dx = \left[ -\cos x \right]_0^{\pi} = -(-1) - (-1) = 2

面積は 22 です。山の高さが 11、幅が π3.14\pi \approx 3.14 なので、同じ幅と高さの長方形の面積 π\pi に対して 2π0.64\dfrac{2}{\pi} \approx 0.64 倍ということになります。正弦の山は、長方形の 66 割ほどを埋めます。

符号に注意

関数原始関数
sinx\sin xcosx-\cos x
cosx\cos xsinx\sin x

(cosx)=sinx(-\cos x)' = \sin x なので原始関数は cosx-\cos x で、cosx\cos x ではありません。微分のときに cos\cos から sin-\sin へ符号がつくことの裏返しです。

11 周期では 00

02πsinxdx=[cosx]02π=1(1)=0\int_0^{2\pi} \sin x \, dx = \left[ -\cos x \right]_0^{2\pi} = -1 - (-1) = 0

00 になるのは、π\pi から 2π2\pi の谷が xx 軸の下にあって、負に数えられるからです。

区間定積分面積
00 から π\pi2222
π\pi から 2π2\pi2-222
00 から 2π2\pi0044

面積として 44 を求めたいなら、sinx|\sin x| を積分するか、山 11 つ分の 2222 倍します。

原始関数のグラフで読む

y=cosxy = -\cos x の傾きは、x=0x = 000x=π2x = \dfrac{\pi}{2}11x=πx = \pi00 と変わり、これは sinx\sin x の値そのものです。sin\sin が正の区間で cos-\cos は増加し、sin\sin が負の区間で減少します。

cos0=1-\cos 0 = -1 から cosπ=1-\cos \pi = 1 までの増加分 22 が、そのまま面積になっています。定積分が原始関数の差であることが、22 つのグラフの間で見て取れます。

グラフの波が y=sinxy = \sin x、それより π2\dfrac{\pi}{2} 遅れた波が原始関数 y=cosxy = -\cos x で、大きな点は積分の両端です。