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三角関数で面積と体積を出す、積分の計算例

と 軸が から までで囲む面積は、ちょうど です。

も も出てきません。曲線で囲まれているのに、答えが整数になる。

こうした計算では、積分できる形に直すところが山になります。 はそのまま積めますが、 は積めません。

そのまま積める形と積めない形

の原始関数は 、 の原始関数は です。ここは覚える。

のように中身が なら、 になります。外へ が出る。

積めないのは 2 乗や積の形です。、、 など。

これらは次数を下げるか、和に開いてから積みます[1]。

右辺は 1 次式なので、そのまま積めます。角が 倍になるかわりに次数が落ちた形です。

そのまま積める

、、 など。原始関数が表にある

直してから積む

、 など。半角や積和で 1 次式に落としてから積む

例:sin x と x 軸

では なので、そのまま積分すれば面積になります。

範囲を から に広げると話が変わる。後半で が負になります。

です。上に出た面積と下に出た面積が打ち消し合っている。

面積が知りたいなら、符号ごとに分けます。。

定積分と面積は別物です。負の部分があるかどうかを、積む前に確かめます。

例:2 つの曲線に挟まれた面積

と が、 で囲む面積を求めます。

まず交点です。 となるのは 、つまり 。

の手前では が上、後ろでは が上です。上下が入れ替わります。

範囲を 2 つに分けます。上にある関数から下にある関数を引く。

前半は 。後半も計算すると同じ になります。

合わせて です。

対称性からも読めます。 について左右対称な図形なので、片側を 2 倍すればよい。

例:sin²x の定積分

を求めます。2 乗のままでは積めません。

半角の形に直します。。

と なので、後ろの項は消えます。答えは 。

図で確かめられます。 の平均は なので、幅 を掛けて 。

から、2 つのグラフは を挟んで対称に並びます。平均が になるのはこのため。

は、足すと になる ことから出せます。

2 つの積分の和は 。値が等しいので、それぞれ です。計算せずに答えが出ます。

回転体の体積

の の部分を、 軸のまわりに 1 回転させます。

輪切りにすると、各断面は半径 の円です。面積は 。

これを について積むと体積になります。

なので、 です。

回転体では必ず 2 乗が出てきます。だから半角の公式が、ほぼ毎回必要になる。

を から まで回した場合は 。

canvas: 置き場が受け取りませんでした

扇形と組み合わせる図形

曲線だけでなく、扇形が混ざる問題もよく出ます。

半径 、中心角 の扇形の面積は でした[2]。 はラジアンです。

弓形、つまり弦と弧に囲まれた部分は、扇形から三角形を引きます。

三角形の面積は 2 辺 と挟む角 から です。

、 なら 。

が正であることは、 から分かります。面積が負にならない。

まちがえやすい点

の原始関数を とする誤りが多い。 の多項式と同じ扱いはできません。

微分して確かめられます。 で、余計な が出ます。

定積分の値をそのまま面積と答える誤りも同じくらい起きます。負の部分があれば別に扱う。

回転体で を忘れる形もよく見ます。断面積は であって ではありません。

の外に出す係数も逆にしやすい。 で、 を掛けるのではなく割ります。

の値はどれですか。

__RESULT__

に直します。 です。 なので後ろの項が消えます。

回転体のほうも確かめます。

の を 軸のまわりに回した立体の体積はどれですか。

__RESULT__

体積は です。積分の値が なので、 を掛けて になります。 を選ぶと、断面積の を掛け忘れた形です。

積める形へ直し、上下の入れ替わりを確かめ、回転なら を掛ける。手順はこの 3 つです。

参考

Double-Angle, Half-Angle, and Reduction Formulas. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(次数を下げる公式).
Angles. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(扇形の面積 ).
$y = \sin x$ と $x$ 軸が $0$ から $\pi$ で囲む面積はちょうど $2$ です。曲線で囲まれているのに整数になる。範囲を $2\pi$ まで広げると定積分は $0$ になり、面積としては $4$ になります。この食い違いが最初の関門。$\sin^2 x$ はそのまま積めないので $\dfrac{1-\cos 2x}{2}$ に落としてから積みます。回転体では断面が半径 $|y|$ の円になり、必ず 2 乗が出るので半角の公式がほぼ毎回要る。$y=\sin x$ を回した体積が $\dfrac{\pi^2}{2}$ になる計算と、弓形の $\dfrac{1}{2}r^2(\theta - \sin\theta)$ まで。