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数学II

積分せきぶん基本きほん

最終確認日:

このしょうまなぶこと

微分びぶんが 「変化へんかはやさ」 を道具どうぐであったのにたいし、 積分せきぶんぎゃくに 「変化へんかげた結果けっか = 全体ぜんたいりょう」 をもとめる道具どうぐです。 速度そくどから距離きょり流量りゅうりょうから体積たいせき、 そして関数かんすうのグラフでかこまれた 面積めんせき計算けいさんできるようになります。

  • 不定積分ふていせきぶん積分定数せきぶんていすう CC理解りかいする
  • xnx^n積分せきぶん公式こうしき (n1n \neq -1) を使つかえる
  • 定積分ていせきぶん abf(x)dx\int_a^b f(x) dx計算けいさんできる
  • 線形せんけいせい ((kf+lg)=kf+lg\int (kf + lg) = k\int f + l\int g) を使つかえる
  • 微分積分学の基本定理びぶんせきぶんがくのきほんていり理解りかいする
  • 関数かんすうxx軸でかこまれた 面積めんせきもとめられる

1. 不定ふてい積分せきぶん

定義ていぎ

微分びぶんして f(x)f(x) になる関数かんすう」 を f(x)f(x)原始関数げんしかんすう といい、 その全体ぜんたい不定積分ふていせきぶん といって、

f(x)dx=F(x)+C\int f(x) \, dx = F(x) + C

きます。 F(x)=f(x)F'(x) = f(x)CC積分定数せきぶんていすう (任意にんい定数ていすう)。

大事だいじ: 微分びぶんしておなf(x)f(x) になる関数かんすうは 「定数ていすうだけちが無限むげんおお関数かんすうがあります (ddx(F(x)+C)=F(x)\dfrac{d}{dx}(F(x) + C) = F'(x))。 だから CCかならえる。

公式こうしき

nn1-1 でないかずとして、

xndx=xn+1n+1+C\int x^n \, dx = \dfrac{x^{n+1}}{n+1} + C

線形せんけいせい:

{kf(x)+lg(x)}dx=kf(x)dx+lg(x)dx\int \{kf(x) + lg(x)\} \, dx = k\int f(x) dx + l\int g(x) dx

例題れいだい

不定ふてい積分せきぶん結果けっか
x2dx\displaystyle\int x^2 \, dxx33+C\dfrac{x^3}{3} + C
(3x24x+5)dx\displaystyle\int (3x^2 - 4x + 5) \, dxx32x2+5x+Cx^3 - 2x^2 + 5x + C
(x1)(x+2)dx\displaystyle\int (x - 1)(x + 2) \, dx展開てんかい: (x2+x2)dx=x33+x222x+C\displaystyle\int (x^2 + x - 2)dx = \dfrac{x^3}{3} + \dfrac{x^2}{2} - 2x + C

やってみよう: (4x36x)dx\displaystyle\int (4x^3 - 6x) \, dx計算けいさんせよ。 (答えこたえ: x43x2+Cx^4 - 3x^2 + C)

2. てい積分せきぶん

定義ていぎ表記ひょうき

FFff原始げんし関数かんすうとして、

abf(x)dx=[F(x)]ab=F(b)F(a)\int_a^b f(x) \, dx = \Big[F(x)\Big]_a^b = F(b) - F(a)

ff定積分ていせきぶん といいます。 aa下端かたんbb上端じょうたんf(x)f(x)積分せきぶん関数かんすう不定ふてい積分せきぶんちがい、 結果けっか数値すうち になります (CC はキャンセル)。

例題れいだい

02(3x2+2x)dx\displaystyle\int_0^2 (3x^2 + 2x) dx計算けいさんせよ。

[x3+x2]02=(8+4)0=12\Big[ x^3 + x^2 \Big]_0^2 = (8 + 4) - 0 = 12

性質せいしつ

aaf(x)dx=0,baf(x)dx=abf(x)dx\int_a^a f(x)dx = 0, \quad \int_b^a f(x)dx = -\int_a^b f(x)dx acf(x)dx+cbf(x)dx=abf(x)dx\int_a^c f(x)dx + \int_c^b f(x)dx = \int_a^b f(x)dx

線形せんけいせい:

ab{kf(x)+lg(x)}dx=kabf(x)dx+labg(x)dx\int_a^b \{kf(x) + lg(x)\} dx = k\int_a^b f(x)dx + l\int_a^b g(x)dx

やってみよう: 11(x3+2x)dx\displaystyle\int_{-1}^1 (x^3 + 2x) dx計算けいさんせよ (関数かんすう性質せいしつ使つかうとはやい)。 (答えこたえ: 00)

3. 微分びぶん積分せきぶんがく基本きほん定理ていり

主張しゅちょう

F(x)=axf(t)dtF(x) = \displaystyle\int_a^x f(t) dt とおくと、

ddxF(x)=f(x)\dfrac{d}{dx} F(x) = f(x)

つまり てい積分せきぶんしてから微分びぶん」 をするともと関数かんすうもど。 これは微分びぶん積分せきぶんたがいに ぎゃく演算えんざん であることをあらわしています。 ニュートンとライプニッツの大発見だいはっけん

例題れいだい

ddx1x(t32t)dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_1^x (t^3 - 2t) dtもとめよ。

基本きほん定理ていりから、 答えこたえはそのまま x32xx^3 - 2x

4. 面積めんせき

f(x)0f(x) \geq 0場合ばあい

axba \leq x \leq bf(x)0f(x) \geq 0 のとき、 曲線きょくせんy=f(x)y = f(x)xx軸、 直線ちょくせんx=ax = ax=bx = bかこまれた図形ずけい面積めんせきSS は、

S=abf(x)dxS = \int_a^b f(x) \, dx

例題れいだい

y=x2y = x^2xx軸、 x=0x = 0x=2x = 2かこまれた部分ぶぶん面積めんせきもとめよ。

S=02x2dx=[x33]02=83S = \displaystyle\int_0^2 x^2 dx = \Big[\dfrac{x^3}{3}\Big]_0^2 = \dfrac{8}{3}

f(x)0f(x) \leq 0場合ばあい

f(x)0f(x) \leq 0区間くかんでのてい積分せきぶんあたい になるので、 面積めんせき絶対ぜったいをとる積分せきぶん反転はんてん させます。

S=abf(x)dxS = \int_a^b |f(x)| dx

実用じつようじょうは、 f(x)0f(x) \geq 0区間くかんf(x)0f(x) \leq 0区間くかんけ、 後者こうしゃでは f-\int f置き換えおきかえします。

ふたつの曲線きょくせんかこまれた面積めんせき

axba \leq x \leq bf(x)g(x)f(x) \geq g(x) のとき、 きょくせんy=f(x)y = f(x)y=g(x)y = g(x)かこまれた部分ぶぶん面積めんせきは、

S=ab{f(x)g(x)}dxS = \int_a^b \{f(x) - g(x)\} \, dx

大事だいじ:うえ関数かんすう関数かんすう」 のじゅんくこと。 ぎゃくにすると符号ふごう反対はんたいになる。

例題れいだい

きょくせんy=x2y = x^2y=2xy = 2xかこまれた部分ぶぶん面積めんせきもとめよ。

交点こうてん: x2=2xx^2 = 2xx(x2)=0x(x-2) = 0x=0,2x = 0, 20x20 \leq x \leq 22xx22x \geq x^2

S=02(2xx2)dx=[x2x33]02=483=43S = \displaystyle\int_0^2 (2x - x^2) dx = \Big[x^2 - \dfrac{x^3}{3}\Big]_0^2 = 4 - \dfrac{8}{3} = \dfrac{4}{3}

やってみよう: y=x2y = x^2y=xy = xかこまれた部分ぶぶん面積めんせきもとめよ。 (答えこたえ: 16\dfrac{1}{6})

5. 区分くぶんもとめせきほう積分せきぶん意味いみ

長方形ちょうほうけいとしての積分せきぶん

てい積分せきぶんabf(x)dx\int_a^b f(x) dx はもともとは 区間くかんこまかく分割ぶんかつし、 かく区間くかんでの長方形ちょうほうけい面積めんせきして、 分割ぶんかつ無限むげんこまかくする」 という極限きょくげんとして定義ていぎされます。 これを 区分求積法くぶんきゅうせきほう といいます。

abf(x)dx=limnk=1nf(xk)Δx(Δx=(ba)/n)\int_a^b f(x) dx = \lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{n} f(x_k) \, \Delta x \quad (\Delta x = (b-a)/n)

てい積分せきぶん面積めんせきむすびつく理由りゆうはまさにここにあります。 物理ぶつりで 「速度そくど×\times時間じかん = 距離きょり」 をこまかくしたものが 「位置いち変化へんか」 であるのとおな構造こうぞうです。

数学すうがく III への接続せつぞく

数学すうがく II の範囲はんいでは 多項式たこうしき関数かんすう積分せきぶんしかまなびませんが、 数学すうがく III ではつぎ関数かんすう積分せきぶんまなびます。

  • 三角関数さんかくかんすう: sinxdx=cosx+C\int \sin x \, dx = -\cos x + C
  • 指数関数しすうかんすう: exdx=ex+C\int e^x \, dx = e^x + C
  • 対数関数たいすうかんすう: 1xdx=logx+C\int \dfrac{1}{x} dx = \log |x| + C (x0x \neq 0)

そして置換ちかん積分せきぶんほう部分ぶぶん積分せきぶんほうという 強力きょうりょく道具どうぐれます。

まとめ

  • 不定積分ふていせきぶん fdx=F+C\int f dx = F + C (F=fF' = f)、 CCかならえる
  • 定積分ていせきぶん abfdx=F(b)F(a)\int_a^b f dx = F(b) - F(a)数値すうちCC不要ふよう
  • 微分積分学の基本定理びぶんせきぶんがくのきほんていり微分びぶん積分せきぶんたがいにぎゃく演算えんざんであることがわかる
  • xnx^n (n1n \neq -1) の積分せきぶん公式こうしきxn+1n+1\dfrac{x^{n+1}}{n+1}中心ちゅうしん
  • 関数かんすうxx軸でかこまれた面積めんせき = abf(x)dx\int_a^b |f(x)| dx
  • きょくせんかこまれた面積めんせき = ab{()()}dx\int_a^b \{(\text{上}) - (\text{下})\} dx

しょう: さい終章しゅうしょうでは積分せきぶん応用おうようすすみ、 様々さまざま図形ずけい面積めんせき物理ぶつりでの距離きょり計算けいさん数学すうがく II 全体ぜんたい復習ふくしゅうおこないます。

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