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数学III

積分せきぶん応用おうよう (曲線きょくせんながさ・物理ぶつりりょう)

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 7 しょうの 「面積めんせきたいせき」 につづいて、 積分せきぶん応用おうようはばひろげます。

  • 曲線きょくせんなが (ちょう): L=1+(y)2dxL = \int \sqrt{1 + (y')^2} \, dx
  • 媒介変数表示ばいかいへんすうひょうじ曲線きょくせんなが
  • そく積分せきぶんもとめる 道のりみちのり (変位へんいべつ)
  • ごと W=FdxW = \int F \, dx (物理ぶつりとのせつぞく)
  • 重心じゅうしんかんたんもとかた
  • 回転体かいてんたい側面積そくめんせき

ポイント: 微分びぶんが 「へんりつ」、 積分せきぶんが 「るいせき」。 「単位たんいかんあたりのりょうかん」 というてんで、 ぶつけいざいのあらゆるりょう積分せきぶんけることをたいかんしましょう。

1. 曲線きょくせんながさ (関数かんすう)

公式こうしき

y=f(x)y = f(x) (axba \le x \le b) の曲線きょくせんながさ:

L=ab1+(dydx)2dx=ab1+(f(x))2dxL = \int_a^b \sqrt{1 + \left( \dfrac{dy}{dx} \right)^2} \, dx = \int_a^b \sqrt{1 + (f'(x))^2} \, dx

イメージ: 微小びしょうかん dxdx での曲線きょくせんながさは さん平方へいほう(dx)2+(dy)2=1+(dy/dx)2dx\sqrt{(dx)^2 + (dy)^2} = \sqrt{1 + (dy/dx)^2} dx。 それをす。

れい 1 放物線ほうぶつせんちょう

y=x22y = \dfrac{x^2}{2}0x10 \le x \le 1ちょうy=xy' = x

L=011+x2dxL = \int_0^1 \sqrt{1 + x^2} \, dx

これは x=tanθx = \tan\theta置換ちかんするか、 双曲線そうきょくせん関数かんすう使つかひつようがある (大学だいがくないよう)。 高校こうこうでは せきぶんかたち まででよいことがおおい。

れい 2 計算けいさんがきれいなケース

y=23x3/2y = \dfrac{2}{3} x^{3/2}0x30 \le x \le 3y=x1/2y' = x^{1/2}

L=031+xdx=23[(1+x)3/2]03=23(81)=143L = \int_0^3 \sqrt{1 + x} \, dx = \dfrac{2}{3} \left[ (1+x)^{3/2} \right]_0^3 = \dfrac{2}{3} (8 - 1) = \dfrac{14}{3}

2. 媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじ曲線きょくせんなが

公式こうしき

x=x(t)x = x(t)y=y(t)y = y(t) (αtβ\alpha \le t \le \beta) のとき、

L=αβ(dxdt)2+(dydt)2dtL = \int_\alpha^\beta \sqrt{\left( \dfrac{dx}{dt} \right)^2 + \left( \dfrac{dy}{dt} \right)^2} \, dt

れい 3 えんの周

x=rcostx = r \cos ty=rsinty = r \sin t0t2π0 \le t \le 2\pidx/dt=rsintdx/dt = -r\sin tdy/dt=rcostdy/dt = r\cos t

L=02πr2sin2t+r2cos2tdt=02πrdt=2πrL = \int_0^{2\pi} \sqrt{r^2 \sin^2 t + r^2 \cos^2 t} \, dt = \int_0^{2\pi} r \, dt = 2\pi r

しょうがくあんした 円周えんしゅうこうしき が、 数学すうがく III で しょうめいできました

れい 4 サイクロイドさいくろいど

x=a(tsint)x = a(t - \sin t)y=a(1cost)y = a(1 - \cos t)0t2π0 \le t \le 2\pi

dx/dt=a(1cost)dx/dt = a(1 - \cos t)dy/dt=asintdy/dt = a \sin t

(dx/dt)2+(dy/dt)2=a2(12cost+cos2t+sin2t)=2a2(1cost)=4a2sin2(t/2)(dx/dt)^2 + (dy/dt)^2 = a^2(1 - 2\cos t + \cos^2 t + \sin^2 t) = 2a^2 (1 - \cos t) = 4a^2 \sin^2(t/2)

L=02π2asint2dt=2a02πsint2dt=2a4=8aL = \int_0^{2\pi} 2a \left| \sin \dfrac{t}{2} \right| \, dt = 2a \int_0^{2\pi} \sin \dfrac{t}{2} \, dt = 2a \cdot 4 = 8a

はってん: サイクロイドさいくろいど1 周期しゅうきちょうちょっけいの 8 ばい といううつくしいけっぶつでは 「最速さいそく降下こうか曲線きょくせん」 としても有名ゆうめい

3. 速度そくど積分せきぶん道のりみちのり

速度そくど位置いち

物体ぶったいそくv(t)v(t) のとき、

りょう積分せきぶん
変位へんい ()abv(t)dt\int_a^b v(t) \, dt
道のりみちのり (どうるいせき)abv(t)dt\int_a^b \vert v(t)\vert \, dt

大事だいじ: 変位へんい でキャンセルされうる (vv がマイナスで逆戻ぎゃくもどり) が、 道のりみちのりぜったいあたいくわえる。

れい 5

ちょくせんじょうそく v(t)=3t212v(t) = 3t^2 - 12 (0t40 \le t \le 4) でうごてん

変位へんい =04(3t212)dt=[t312t]04=6448=16= \int_0^4 (3t^2 - 12) dt = [t^3 - 12t]_0^4 = 64 - 48 = 16

道のりみちのり: v(t)=0t=2v(t) = 0 \Rightarrow t = 20t<20 \le t < 2v<0v < 02<t42 < t \le 4v>0v > 0

道 の り=02(123t2)dt+24(3t212)dt=16+32=48\text{道 の り} = \int_0^2 (12 - 3t^2) dt + \int_2^4 (3t^2 - 12) dt = 16 + 32 = 48

4. 平面へいめんじょうどうてん道のりみちのり

公式こうしき

へいめんじょうどうてん(x(t),y(t))(x(t), y(t))t=αt = \alpha から t=βt = \beta までうごくときの 道のりみちのり曲線きょくせんなが:

L=αβ(dxdt)2+(dydt)2dt=αβv(t)dtL = \int_\alpha^\beta \sqrt{\left( \dfrac{dx}{dt} \right)^2 + \left( \dfrac{dy}{dt} \right)^2} \, dt = \int_\alpha^\beta |\vec{v}(t)| \, dt

v|\vec{v}|はやさ (スカラー)

5. 仕事しごと積分せきぶん

物理ぶつり公式こうしき

いっていの力FFきょり dd うごかしたときの 仕事しごとW=FdW = Fd (ちゅう学理がくり)。

ちから xx によってわる F(x)F(x) のとき、 ぶんてき には dW=F(x)dxdW = F(x) \, dxるいせきすれば、

W=abF(x)dxW = \int_a^b F(x) \, dx

れい 6 ばねの仕事しごと

フックの法則ふっくのほうそく: ばねを xx だけばすにひつような力F(x)=kxF(x) = k x (kk はばねていすう)。

自然長しぜんちょうから LL までばす 仕事しごと は、

W=0Lkxdx=12kL2W = \int_0^L kx \, dx = \dfrac{1}{2} k L^2

これは 弾性だんせいエネルギーこうしきそのもの。

ぶつとのせつぞく: 数学すうがく III の積分せきぶんが、 変化へんかするりょうるいせき というとういつげんとしてあらゆる科学かがくしんとうしています。

れい 7 みずげる仕事しごと

ふかhh円筒えんとうタンクにみずまんぱいすべてをうえまでげる仕事しごとは、

W=0h(ρgπr2)(hx)dx=12ρgπr2h2W = \int_0^h (\rho g \pi r^2) (h - x) \, dx = \dfrac{1}{2} \rho g \pi r^2 h^2

(ρ\rhoみず密度みつどgg重力じゅうりょく加速かそく)。

6. 重心じゅうしん

平面図形へいめんずけい重心じゅうしん

xxうえかん [a,b][a, b]f(x)0f(x) \ge 0かこまれた図形ずけい重心じゅうしん xˉ\bar{x}:

xˉ=abxf(x)dxabf(x)dx\bar{x} = \dfrac{\displaystyle \int_a^b x f(x) \, dx}{\displaystyle \int_a^b f(x) \, dx}

面積めんせきおもけした平均へいきんひょう」。

れい 8 三角形さんかくけい重心じゅうしん

ちょうてん (0,0)(0, 0)(1,0)(1, 0)(1,1)(1, 1)三角形さんかくけい (f(x)=xf(x) = xかこまれたぶん)。

xˉ=01xxdx01xdx=1/31/2=23\bar{x} = \dfrac{\int_0^1 x \cdot x \, dx}{\int_0^1 x \, dx} = \dfrac{1/3}{1/2} = \dfrac{2}{3}

中学ちゅうがくまなんだ 「重心じゅうしんちゅうせん2:1」 といっします。

7. しょうまつまとめ

りょう積分せきぶんこうしき
ちょう (y=f(x)y = f(x))1+(y)2dx\int \sqrt{1 + (y')^2} \, dx
ちょう (ばいかい)(x)2+(y)2dt\int \sqrt{(x')^2 + (y')^2} \, dt
変位へんいvdt\int v \, dt
道のりみちのりvdt\int \vert v\vert \, dt
仕事しごとF(x)dx\int F(x) \, dx
重心じゅうしん xˉ\bar xxfdxfdx\dfrac{\int x f \, dx}{\int f \, dx}

しょうへ: ここまでの数学すうがく III は 実数じっすうかんすう中心ちゅうしんでした。 だい 9 しょうから 複素数ふくそすう平面へいめんはいり、 かずかい一気いっきかくちょうします。

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