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n 分の 1 を見つけたら和を積分に直す区分求積法と数列の和の極限

を計算すると、 で 、 で 、 で です。

行き先は 。そしてこの値は と同じものです。

項の個数が とともに増える和は、そのままでは項ごとに極限をとれません。定積分に読みかえると計算できます。

短冊に切って足す

区間 を 等分します。1 つぶんの幅は 、 番目の右端は です[1]。

その点での高さを とすると、短冊 1 枚の面積は 。

全部足したものがリーマン和です[1][4]。 を増やすと短冊が細くなり、曲線との隙間が消えていきます。

公式の形

が連続なら、リーマン和の極限は定積分に一致します[2]。

を から まで動かせば右端をとった和になり、 から まで動かせば左端をとった和になります[1]。

どちらも極限は同じ値になります。端が 1 つずれるぶんの差は の大きさしかないためです。

読みかえの手順

式を見たら、 を に、 を に置きかえます。 の動く範囲が積分区間になる。

が表に出ていない形も多い。まず を 1 つくくり出します。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… swapItem[index][0] …)

例:1 次の場合

を求めます。 をくくり出すと形が見えます。

この例は和の公式でも解けます。 で一致しました。

例:分母に が来る形

を求めます。和の公式は使えません。

分母を でくくると になり、 が出てきます。

です。 で和を計算すると になります。

例:円が出てくる形

を求めます。分母を でくくります。

です。有理数の和の極限に が現れます。

例:根号を含む形

を求めます。分母を と見て分けます。

をどう配るかで見え方が変わります。 と直すのが型。

例:三角関数を含む形

を求めます。

です。 が中に入っていても、 の形さえ作れば同じ手順で進みます。

うまくいかないときは、 をくくり出せていないことがほとんどです。

や の形で隠れている。まず 1 つだけ外へ出す。

例:対数と階乗

を求めます。

この結果は階乗の極限に化けます。左辺は と書けるためです。

積を書き直すと になり、次が得られます。

。和の極限を対数の外へ戻すと、積の極限が出てきます。

区間が でないとき

の動く範囲を変えると、積分区間も変わります。 が から まで動けば区間は です。

区間 を 等分するなら、幅は 、 番目の点は です[2]。

高校の問題では に直してから使うほうが速い。 の形が出るように、先に式を整えます。

を 1 つくくり出す。
残りを だけの式にする。
の範囲から積分区間を読む。
を に替えて積分する。

どんな関数でも使えるのか

連続な関数は必ず積分できます[2]。高校で出てくる関数はこの条件を満たすので、手順どおりに進めて問題ありません。

ドイツ語の講義資料では、そうでない例としてディリクレ関数が挙げられています[3]。有理数で 、無理数で をとる関数です。

どんなに細かく分けても、各区間には有理数も無理数もあります。代表点の選び方しだいで和が にも にもなり、値が定まらない[3]。

定義そのものは等分を要求しません。分割の中でいちばん広い区間の幅を に近づける、という形で書きます[3][4]。

高校で使う形

区間を 等分し、右端を代表点にとる。 と の 2 つだけを見る

一般の定義

分割は不等間隔でよく、代表点も自由。いちばん広い区間の幅を に近づける

どちらで書いても、連続な関数なら同じ値に行き着きます。

はいくつですか。

__RESULT__

分母を でくくると になり、 です。 は を落とした値、 は分母を と読み違えた値になります。

区間の読み方も確かめます。

はいくつですか。

__RESULT__

が まで動くので は から まで動きます。 です。 は区間を と読んだ誤り、 は区間の長さそのものになります。

項の個数が増える和は、短冊の面積の和だと思えば片づきます。 を見つけることが、そのまま解き始めの合図になる。

参考文献

*Approximating Areas*. Calculus Volume 1, OpenStax.
*The Definite Integral*. Calculus Volume 1, OpenStax.
Guofang Wang. *Integralrechnung*. Analysis, Universität Freiburg.
Riemann Sum. Wolfram MathWorld.
$\left(\frac{1}{n}\right)^{2}$ から $\left(\frac{n}{n}\right)^{2}$ までを足して $n$ で割ると、$n = 1000$ で $0.333834$。行き先は $\int_0^1 x^{2}dx = \frac{1}{3}$ です。項の個数が増える和は、幅 $\frac{1}{n}$ の短冊の面積として読みかえる。$\frac{1}{n}$ を $dx$ に、$\frac{k}{n}$ を $x$ に置きかえ、$k$ の範囲を積分区間にするだけです。$\sum\frac{1}{n+k}$、$\sum\frac{n}{n^{2}+k^{2}}$、$\frac{1}{n}\sum\sin\frac{k\pi}{n}$ など 7 通り並べました。