サイクロイドの面積は転がる円のちょうど 3 倍……媒介変数のまま積分できる
半径 の円を直線の上で転がすと、円周上の 1 点がサイクロイドを描きます。1 山と 軸で囲まれた面積は 。
転がる円の面積 のちょうど 3 倍です。この値は 1634 年に求められました[1]。
曲線が の形になっていないため、面積の式もそのままでは書けません。 と が両方とも で書かれている。
置換積分を使えば、 のまま計算できます。
を で書きかえる
面積の式は です。ここに 、 を入れます。
だから、 は に変わる。 が から まで動くあいだに が から まで動くとすると、次の形になります。
新しい公式ではありません。 の と をそれぞれ の式にとりかえただけです。
S = ∫ y dx から始める
y を g(t)、dx を f’(t) dt に置きかえる
区間を x の値から t の値に書きかえる
例 1:サイクロイドのアーチ
サイクロイドは次の式で表されます。 で 1 山ぶん。
です。 と同じ形になりました。
中を展開し、 を に直します。
と は から まで積分すると消えます。残るのは定数の項だけ。
向きが逆になるとき
が増えるあいだに が減ることがあります。このとき で、 も負になる。
積分の値は負になりますが、面積そのものは正です。区間の順を入れかえるか、答えの符号を反転させます。
どちらを使ってもよい。大事なのは、 に対応する を下端、 に対応する を上端に置くことです。
例 2:楕円の面積
楕円は次のように書けます。
第 1 象限だけを求めて 4 倍します。 が から へ動くとき、 は から へ動く。向きが逆です。
だから、次のようになります。
区間を入れかえたところで が消えました。全体は です。
例 3:円で確かめる
例 2 で とすると 。円の面積に戻りました。
楕円は円を縦に 倍へ押しつぶした形だから、面積も 倍になるはずです。 で合っています。
媒介変数の計算は符号のとり違えが起きやすいところ。答えが求まったら、こうして知っている形に戻して見比べます。
例 4:アステロイド
星形の曲線です。 で 1 周します[2]。
です。1 周ぶんの を計算し、符号を反転させます。
を 1 周ぶん積分すると になります。
星形は 軸と 軸の両方向に ずつ張り出すため、差し渡し の正方形にちょうど収まります。正方形の面積 に対する割合は で、3 割ほど。

例 5:ループを囲む面積
次の曲線を で描くと、輪が 1 つできます。
は の偶数乗だけ、 は奇数乗だけ。 を にとりかえると は変わらず、 の符号だけ反転する。この曲線は 軸について対称です。
でどちらも 、。同じ点を 2 回通るところが、輪の交点になります。
下半分だけを計算して 2 倍します。 では 、。
値が負になったのは の側を測ったためです。絶対値をとって 2 倍する。
区間のとり方に気をつける
の区間を決めるときは、 が行ったり戻ったりしていないかを見ます。同じ の値を 2 回通ると、面積を二重に数えることになる。
例 5 のような輪では、行きと帰りで別々に扱うか、対称性を使って半分だけ計算します。
サイクロイドの 1 山では、 のあいだ 。 は減らずに進むため、区間をそのまま使えます。
、 の曲線と 軸、 で囲まれた部分の面積を で表すとどれですか。
媒介変数で面積を計算したら値が負になりました。まず見るところはどれですか。
- 計算まちがい
- の増加につれて が減っているかどうか
- が負になっているかどうか
なら が負になり、積分の値も負に出ます。区間の上下を入れかえれば符号が直る。 が負の場合も値は負になりますが、その場合は 軸より下の面積を測っています。
の 2 つを の式にとりかえ、区間も の値に書きかえる。 の符号を見て向きをそろえれば、 について解けない曲線でも面積が計算できます。










ydx の dx を dtdxdt=2tdt に置きかえます。x=1 は t=1 にあたる。3 番目は xdy を計算した式で、別の量になります。