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2つの放物線で囲む面積(1/6公式の一般形)

📖 言葉で読む:区分求積法(定積分と面積)
2つの放物線で囲む面積(1/6公式の一般形)5
考えてみよう

2つの放物線、下の曲線が y=x2y = x^2、上の曲線が y=4xx2y = 4x - x^2 だよ。この2つで囲まれた葉っぱのような形の面積を求めたいんだ。今度は直線がなくて、両方とも曲線だね。

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  1. 考えてみよう
  2. 1

    2つの放物線、下の曲線が y=x2y = x^2、上の曲線が y=4xx2y = 4x - x^2 だよ。この2つで囲まれた葉っぱのような形の面積を求めたいんだ。今度は直線がなくて、両方とも曲線だね。

  3. 2

    曲線と曲線で挟まれた面積。放物線と直線のときと同じ作戦は使えるかな?面積はいくつになると思う?

  4. 考え方
  5. 3

    まず囲む範囲。連立 x2=4xx2x^2 = 4x - x^2 を整理すると 2x24x=02x^2 - 4x = 02x(x2)=02x(x-2)=0。交点は A(0, 0) と B(2, 4) だね。

  6. 4

    コツは放物線と直線のときと同じ「縦のすき間」。各 xx で上−下を引くと (4xx2)x2=4x2x2(4x-x^2)-x^2 = 4x-2x^2。これを g(x)g(x) と呼ぶよ。曲線どうしでも、引き算すれば1本の関数になるんだ。

  7. 5

    g(x)g(x) を1本のグラフにすると、x軸の上にのった山(x=0x=0x=2x=2 で0)。この山の下の面積が、さっきの葉っぱの面積と同じだよ。あとは区分求積で測れるね。

  8. 6

    短冊1本でざっくり覆うと面積は 4。山より大きいね。ここから本数を増やして、はみ出しを削っていくよ。

  9. 7

    4本に分けると 2.75。短冊を細くするほど、はみ出していた角が小さくなって、山にぴったり近づくね。

  10. 8

    16本では約2.67。本数を限りなく増やした先の値が、ほんとうの面積。約2.67、つまり 8/3 だよ。

  11. 解答
  12. 9

    じつは放物線で囲む面積には「1/6公式」という近道があるんだ。差 g=4x2x2g = 4x-2x^2x2x^2 の係数が −2 だから、S=a6(βα)3=26(20)3=83S = \dfrac{|a|}{6}(\beta-\alpha)^3 = \dfrac{2}{6}(2-0)^3 = \dfrac{8}{3}。短冊を増やした先とぴったり一致するね!

  13. 10

    見つけるコツ: 2曲線でも「上−下」を引けば1本の放物線になり、x2x^2 の係数 aa を読むだけ。直線でも放物線どうしでも、1/6公式は a6(βα)3\dfrac{|a|}{6}(\beta-\alpha)^3 で統一できるよ。

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