2. 定積分の定義 例題集

$Q1$.
次の定積分の値を求めなさい。

(1) $\displaystyle \int_{-1}^4(-4) ~dx$
(2) $\displaystyle \int_{-1}^3(5x+8) ~ dx$
(3) $\displaystyle \int_1^3 (3x^2 - 6x -2) ~ dx$
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(1) $-20$
(2) $52$
(3) $-2$

関数 $f(x)$ の原始関数が $F(x)$ である時

$\displaystyle \int_a^b f(x)~dx=\left[ F(x)\right]_a^b = F(b) - F(a)$

が成り立ちます。積分の性質

$\displaystyle \int_a^b \left\{ kf(x) + lg(x)\right\} ~ dx = k\int_a^b f(x)~dx + l\int_a^b g(x) ~ dx~~$ ($k,l$ は実数)

等を利用して上手に計算しましょう。

(1)

$\displaystyle \int_{-1}^4(-4) ~dx = -4\int_{-1}^4 ~ dx = -4\left[ x \right]_{-1}^4 = -4\left( 4 - (-1)\right) = -4\cdot 5 = -20$

※ $1$ の積分 $\displaystyle \int_a^b 1 ~dx$ は被積分関数の $1$ を省略して $\displaystyle \int_a^b ~dx$ と表すことがあります。

(2)

$31(5x+8) dx=531x dx+831 dx=5[12x2]31+8[x]31=5(9212)+8(3(1))=20+32=52$

(3)

$31(3x26x2) dx=331x2 dx631x dx231 dx=3[13x3]316[12x2]312[x]31=3(2713)6(912)2(31)=26244=2$

$Q2$.
次の定積分の値を求めなさい。

(1) $\displaystyle \int_1^{e} \dfrac{1}{x} ~dx$
(2) $\displaystyle \int_{4}^9 \left( \sqrt{x} + \dfrac{1}{\sqrt{x}} \right) ~dx$
(3) $\displaystyle \int_0^4 \sqrt{2x+1} ~dx$
(4) $\displaystyle \int_3^8 \dfrac{1}{\sqrt{x+1}} ~dx$
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(1) $\dfrac{\pi}{2}$
(2) $\dfrac{1}{3}\left( e^3 - e^{-3} \right)$

(1)

$\displaystyle \int_1^e \dfrac{1}{x}~dx = \left[ \log x\right]_1^e = \log e - \log 1 = 1$

(2)

$94(x+1x) dx=94(x12+x12) dx=[23x32+2x12]94=23(278)+2(32)=443$

(3)

$402x+1 dx=40(2x+1)12 dx=[1223(2x+1)32]40=13(271)=263$

(2)

$831x+1 dx=83(x+1)12 dx=[2(x+1)12]83=2(32)=2$

$Q3$.
次の定積分の値を求めなさい。

(1) $\displaystyle \int_0^{\pi} \sin^2 x ~dx$
(2) $\displaystyle \int_{-1}^1 e^{3x} ~dx$
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(1) $\dfrac{\pi}{2}$
(2) $\dfrac{1}{3}\left( e^3 - e^{-3} \right)$

(1)
倍角の公式より

$\cos 2x = 1 - 2\sin^2 x$

であるから

$\sin^2 x = \dfrac{1 - \cos 2x}{2}$

が成り立ちます。よって

$π0sin2x dx=π0(1cos2x2) dx=12π0 dx12π0cos2x dx=12[x]π012[12sin2x]π0=12(π0)14(sin2πsin0)=π2$

(2)

$\displaystyle \int_{-1}^1 e^{3x}~ dx = \left[ \dfrac{1}{3}e^{3x}\right]_{-1}^1 = \dfrac{1}{3}\left( e^3 - e^{-3}\right)$

$Q4$.
$a, b \gt 0$ として, 直線 $y = ax$ と $x=b$ と $x$ 軸で囲まれた部分の面積を定積分を用いて求めなさい。

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$\dfrac{1}{2}ab^2$

直線 $y = ax$ と $x$ 軸は原点で交わるので, 求める面積は

$\displaystyle \int_0^b ax ~dx = a\left[ \dfrac{1}{2}x^2 \right]_0^b = \dfrac{1}{2}ab^2$

より $\dfrac{1}{2}ab^2$ となります。

※ $3$ つの直線で囲まれた図形は直角三角形であり, 底辺の長さが $b$, 高さが $ab$ なのでその面積は

$b \cdot ab \cdot \dfrac{1}{2} = \dfrac{1}{2}ab^2$

となり, 定積分で求めた値と一致することがわかります。