シグマの中に k/n が見えたら積分に直す(区分求積法の計算問題)
は です。和を先に計算してから極限をとるのではありません。和のほうを積分に読み替えます。
が短冊の幅、 が短冊の立っている位置です[3]。この つが見えた時点で、和は積分になります。
短冊の幅と高さ
区間 を 等分すると、 本の幅は 。 番目の右端は にあります。
高さを にとると、 本の面積が 。全部足したものが和です。
を大きくすると短冊は細くなり、面積の合計は曲線の下の面積に近づく。これが積分の定義そのものです[2]。
減っていく関数なので、右端で高さをとった和は積分より小さくなります。図の数値がいつも の手前にいるのは、そのためです。
3 つの読み替え
やることは つだけです。 を に、 を に、 の走る範囲を積分区間に直します。
区間を 等分して右端で高さをとる形は、等分割のリーマン和と呼ばれるものにあたります[1]。

むずかしいのは つ目です。 が式の中に隠れていることが多く、それを表に出す変形が実際の手間になります。
問題 1:k の 2 乗を n の 3 乗で割る
を求めよ。
解答 1
分母の を と に分けます。 を外に出すと、残りが になる。
この問題は和の公式でも解けます。 の極限は で、確かに一致しました。
問題 2:分母が n と k の和
を求めよ。
解答 2
第 項は です。分母と分子を で割ると が出てきます。
したがって 。値は ほどです。
和の公式は使えません。 の和に閉じた形はなく、積分に読み替えるしか道がない型です。
問題 3:分母が 2 乗の和
を求めよ。
解答 3
分母と分子を で割ります。分子の は になり、分母は になる。
積分すると です。
目印は、分子に が つ立っていること。これが の変装した姿です。
問題 4:根号の中に n の 2 乗
を求めよ。
解答 4
根号の中から をくくり出すと、外へ が出ます。
あとは積分するだけ。 になります。
数値では ほど。根号を含む型でも、 をくくり出す一手で が現れます。
問題 5:k が 0 から始まる
を求めよ。
解答 5
なので、 とみます。
ほどです。 が から まででも、 から まででも、答えは変わりません。
端の 1 項は効かない
の始まりと終わりが つずれても極限は動きません。差は に の値を掛けた 項だけで、 で へ行くため。
短冊の左端で高さをとるか、右端でとるか。この違いも同じ理由で消えます[2]。
そのかわり、 の走る範囲が n に比例して伸びる ときは話が別です。
項ぶんではなく区間そのものが変わるので、積分区間をとり直す。
問題 と問題 がその型になります。
問題 6:k を 2n で割る形
を求めよ。
解答 6
と読み替えます。 を と置くのではありません。
外に出ている が幅を決めているので、 に対応するのは のほうです。 は関数の中に押し込みます。
問題 7:k が n + 1 から始まる
を求めよ。
解答 7
と書くと、 は から まで走ります。
問題 と同じ値になりました。それもそのはずで、 と は同じ和です。
同じ和が、区間 の積分とも区間 の積分とも読めます。どちらで読んでも値は一致する。
問題 8:k が 3n まで走る
を求めよ。
解答 8
は から まで動きます。区間を にとる。
を見て と決めつけると、ここで落ちます。区間を決めるのは の走る範囲です。

問題 9:p 乗の和
とする。 を求めよ。
解答 9
分母を と分けます。問題 の を一般にしただけです。
なら 、 なら 。 が整数でなくても、 なら になります。
和の公式が使えるのは が小さい整数のときだけ。積分のほうは を選びません。
積の形は対数で和に直す
積の極限にも使えます。 をとれば積が和になり、和が積分になるためです。
積の形の極限をとる
対数をとって和に直す
区分求積で積分に読み替える
指数関数に戻す
最後に の肩へ戻すのを忘れると、答えが対数のまま残ります。
問題 10:n 乗根と積
を求めよ。
解答 10
乗根の中の積は 個です。 を根号の中へ入れると、 が 個ぶんになる。
対数をとると和になります。
指数に戻して 。数値では ほどになります。
問題 11:階乗の n 乗根
を求めよ。
解答 11
を根号の中へ入れる手は同じです。
対数をとると で、 です。
答えは 。 ほどになります。
端で発散する場合
問題 の は で下へ発散します。区分求積の定理は有界な関数について述べたものなので、そのままでは枠の外です[2]。
それでも結論は変わりません。 が単調増加なので、 の項を切り離せば残りは有界な範囲に収まり、切り離した も へ行くためです。
答案では、広義積分が収束することを一言添えておけば足ります。
問題 12:区分求積では書けない形
を求めよ。
解答 12
同じ手を当ててみます。 をくくり出すと、中に残るのは です。
ではないので、区分求積の形になりません。ここははさみうちに切り替えます。
の範囲で なので、 項を足すと次が成り立ちます。
両端とも に収束するので、答えは です。
問題 との差は と の 文字だけ。それで手法が変わります。
で割ったとき、中身が の関数になる
中身が など、 を大きくすると各項が同じ値へつぶれる
検算のしかた
区分求積には、向きの決まった検算があります。 が単調なら、和と積分の大小が最初から分かるため。
が減っていく関数なら、右端で高さをとった和は積分より小さくなる。増えていく関数なら大きくなります。
問題 で として計算すると、。
なので、確かに下から近づいています。向きが合わなければ、どこかで式を写し違えている。
シグマの中に を見つける。あとは幅の を表に出して、区間を読むだけです。









