§C1.2多項式の積分と面積

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不定積分とは、微分したらf(x)f(x)になる関数(ffの原始関数)をすべて求める操作のことです。 つまり積分の計算は、微分の逆をやることです。基本になるのは

∫xn dx=xn+1n+1+C\int x^n \, dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C

です(CCは積分定数)。多項式なら項ごとにこれを当てるだけです。

∫(3x2−4x+1) dx=x3−2x2+x+C\int (3x^2 - 4x + 1) \, dx = x^3 - 2x^2 + x + C

1 +C を忘れない、を作業にする

x3x^3を微分してもx3+5x^3 + 5を微分しても3x23x^2です。つまり「微分したら3x23x^2になる関数」は 1 つに決まらず、定数の差だけ無数にあります。+C+Cはその全体をまとめて書く記法です。理屈はこれだけなので、あとは書き終えたら+C+C、と手が覚えるまで練習してください。

検算はいつでもできます:答えを微分して被積分関数に戻るか確かめる。因数分解と同じで、検算自体が微分の練習になります。

2 定積分と面積

∫abf(x) dx=[F(x)]ab=F(b)−F(a)\int_a^b f(x) \, dx = \Bigl[ F(x) \Bigr]_a^b = F(b) - F(a)

で計算します(FFはffの原始関数の 1 つ。CCは引き算で消えるので定積分では書きません)。f(x)≥0f(x) \geq 0の区間では、この値は曲線とxx軸のあいだの面積に一致します。ffが負になる区間では符号がつくことに注意してください:面積を求めたいなら、ffの符号が変わる点で区間を割ります。

閑話休題:微積分より2000年早かった面積計算 放物線と直線で囲まれた面積は、いま学んだ定積分で機械的に求まります。ところがこの答え、紀元前3世紀にアルキメデスがすでに正確に出していました。彼の結果はこうです——放物線の弓形(切片)の面積は、同じ底辺と高さを持つ内接三角形のちょうど43\frac43倍。方法がまた見事で、弓形にまず大きな三角形を入れ、残った隙間に小さな三角形を2つ、その隙間にさらに4つ……と埋めていくと、各世代の三角形の面積の合計が前の世代の14\frac14になることを幾何で示し、

1+14+116+⋯=431 + \frac14 + \frac1{16} + \cdots = \frac43

という無限等比級数の和に帰着させたのです(本人は無限を避け、「43\frac43より大きくても小さくても矛盾する」という二重の背理法で仕留めています)。

つまり「細かく分けて足し尽くす」という積分の魂は、微積分の記号が生まれる 2000 年近く前に動いていました。ニュートンとライプニッツの偉大さは、面積計算そのものの発明ではなく、それが微分の逆演算で一撃になる(あなたが今使っているF(b)−F(a)F(b) - F(a))と見抜いた点にあります。天才が個別撃破していた問題を、公式1本の作業に変えてしまった——「基本定理」という名前は伊達ではありません。

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

次の不定積分を求めよ。

  1. 例題 1

    ∫(−9x2+6x−1)dx\int \left( -9x^{2}+6x-1 \right) dx
  2. 例題 2

    ∫(4x+1)dx\int \left( 4x+1 \right) dx
  3. 例題 3

    ∫(12x3−15x2−8x−5)dx\int \left( 12x^{3}-15x^{2}-8x-5 \right) dx
  4. 例題 4

    ∫(3x2−5)dx\int \left( 3x^{2}-5 \right) dx
  5. 例題 5

    ∫(12x3+6x2)dx\int \left( 12x^{3}+6x^{2} \right) dx
  6. 例題 6

    ∫(9x2+5)dx\int \left( 9x^{2}+5 \right) dx
  7. 例題 7

    ∫(3x2+6x−3)dx\int \left( 3x^{2}+6x-3 \right) dx
  8. 例題 8

    ∫(−6x2−2)dx\int \left( -6x^{2}-2 \right) dx
  9. 例題 9

    ∫(−4x3−3x2+1)dx\int \left( -4x^{3}-3x^{2}+1 \right) dx
  10. 例題 10

    ∫(−6x2+4x+2)dx\int \left( -6x^{2}+4x+2 \right) dx

演習

問題を解いてから「解答・解説」を開けます。

次の不定積分を求めよ。

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