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マップ

和の極限を定積分に読みかえる

和の極限を定積分に読みかえる5
考えてみよう

1n(1n)2+1n(2n)2++1n(nn)2\frac1n\left(\frac1n\right)^2+\frac1n\left(\frac2n\right)^2+\cdots+\frac1n\left(\frac nn\right)^2、つまり k=1n1n(kn)2\sum_{k=1}^{n}\frac1n\left(\frac kn\right)^2 を、nn を限りなく大きくした極限を求めたいんだ。

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  1. 考えてみよう
  2. 1

    1n(1n)2+1n(2n)2++1n(nn)2\frac1n\left(\frac1n\right)^2+\frac1n\left(\frac2n\right)^2+\cdots+\frac1n\left(\frac nn\right)^2、つまり k=1n1n(kn)2\sum_{k=1}^{n}\frac1n\left(\frac kn\right)^2 を、nn を限りなく大きくした極限を求めたいんだ。

  3. 2

    各項は 1n\frac1n(はば)×(kn)2(\frac kn)^2(何かの高さ)の形。これ、細い長方形の面積を足しているように見えない?和は何に近づくと思う?

  4. 考え方
  5. 3

    図にすると本当に短冊の面積だよ。はば 1n\frac1n の短冊を [0,1][0,1]nn 本ならべ、kk 本目の高さを右端 x=knx=\frac kn での y=x2y=x^2 の値 (kn)2(\frac kn)^2 にとる。各項 1n(kn)2\frac1n(\frac kn)^2 が1本の面積だね。

  6. 4

    いまは短冊が曲線からはみ出して、和は面積より少し大きめ。nn を増やして短冊を細くすると、はみ出しが減って曲線の下にぴったり近づくよ。

  7. 5

    もっと細かく。短冊の和は「曲線 y=x2y=x^2xx軸が [0,1][0,1] で囲む面積」に吸い寄せられていく。これがまさに定積分 01x2dx\int_0^1 x^2\,dx の意味なんだ。

  8. 解答
  9. 6

    値も確かめよう。和は 1n3(12+22++n2)=n(n+1)(2n+1)6n3\frac{1}{n^3}(1^2+2^2+\cdots+n^2)=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6n^3} で、nn\to\infty13\frac13 に近づく。これが面積 01x2dx=13\int_0^1 x^2\,dx=\frac13。図の短冊も、右端ぶん少し大きめから、細くするほどこの 13\frac13 へ近づいていくね。

  10. 7

    1nf(kn)\sum \frac1n\,f(\frac kn) の形の和を見たら、はば 1n\frac1n・高さ f(kn)f(\frac kn) の短冊とみて 01fdx\int_0^1 f\,dx に読みかえる。和の極限を積分に翻訳する、これが区分求積の使いどころだよ。

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