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English

ルートの中が a2-x2 なら x = a sinθ、三角関数で置きかえて積分する

です。半径 の四分円の面積そのもの。

根号のままでは原始関数が書けませんが、 と置くと根号が外れます。

で、まだ絶対値が残っている。ここをどう外すかが、この置換のいちばん大事なところです。

の範囲を先に決める

から まで動くとき、 を満たす はいくらでもあります。 のどちらでも の値は同じ。

そこで に限ります。この範囲なら から まで 1 対 1 で動き、しかも

絶対値が外れました。範囲を決めずに置きかえると、 が負になる区間で符号を落とすことになります。

からもう 1 つ が現れる

の両辺を で微分すると です。

根号の側の の側の がかかり合い、 になります。

と書き直して積分できる形。根号が消えたうえに、2 乗も 1 次に落ちます。

例 1:

区間も に書きかえます。 のとき のとき

半径 の円の面積 の 4 分の 1。図で分かる値と一致しました。

の式に戻す関数は、高校では使いません。だからこの型は定積分の形で扱い、区間ごと に移して計算します。

例 2:上端が でないとき

のとき で、範囲の中の です。

を使いました。値は約 です。

扇形と三角形に分かれる

例 2 の答えは、2 つの項がそれぞれ図形の面積になっています。

は中心角 の扇形の面積

は、底辺 、高さ の直角三角形の面積

一般の上端 でも同じ分かれ方をします。 とすると次のとおり。

前が直角三角形、後ろが扇形。計算した値をこの 2 つの面積の和と見比べれば、確かめになります。

例 3:半径が でないとき

と置きます。、根号は

が 2 か所から現れて になりました。半径 の四分円の面積と合っています。

例 4:

と置くと、 になります。

だから、2 乗すると

例 5:根号が分母にある形

分母の根号が になり、 の側の と約分されます。

上端で分母が になりますが、置きかえた式には分母が残っていません。 の側では をふつうに代入できます。

例 6:平方完成してから当てる

根号の中を平方完成します。

と置くと で、区間は から になります。

半径 の半円の面積。もとの式は円 の上半分を表していました。

例 7:楕円の面積

楕円 の上半分は です。

が半円の面積 にあたることを使いました。

とすれば 。円の面積に戻ります。

三角置換を当てないほうが早い形

根号があれば必ず三角関数、ではありません。

根号の外に が 1 つあるので、 と置けば で片づきます。

根号の外に がある

と置く。 に吸われ、答えは根号のべきになる

根号の外が の偶数乗か定数

と置く。 が現れ、答えに が入る

答えに が現れるかどうかが目印になります。 がつくのは、扇形の面積を測っている形のとき。

と置くと、上端の はどれですか。

__RESULT__

から で、 の中では です。 のときで、 と読んだ形になります。

と置いたとき、 と書ける理由はどれですか。

  • が成り立つから
  • の範囲を から にとると になるから
  • がつねに正だから
__RESULT__

相互関係から分かるのは までです。絶対値を外すには の符号がいり、 の範囲を先に決めることでそれが決まります。 全体では負にもなる。

根号の中が なら 、範囲は から まで。根号と から が 1 つずつ現れ、 の積分に変わります。

$\displaystyle\int_0^1\sqrt{1-x^2}\,dx$ は半径 $1$ の四分円の面積で、値は $\dfrac{\pi}{4}$。$x = \sin\theta$ と置くと $\sqrt{1-\sin^2\theta} = |\cos\theta|$ になりますが、絶対値はまだ外れません。$\theta$ を $-\dfrac{\pi}{2}$ から $\dfrac{\pi}{2}$ にとって $\cos\theta \ge 0$ を決めるところが先です。$dx$ からもう 1 つ $\cos\theta$ が現れ、$\cos^2\theta$ の積分に変わる。答えの 2 項が三角形と扇形の面積に対応するため、計算した値はその場で確かめられます。$x^2\sqrt{1-x^2}$、根号が分母にある形、平方完成してから当てる形、楕円の面積 $\pi ab$ まで。