曲線の長さを求める問題
■問題
曲線
y=12x2
(0≦x≦1)
の長さを求めよ.
■解説動画
■答
√22+12log(1+√2)
ヒント
曲線の長さを参考にする
■解説
図の赤の実線部分の長さを求める.
y=12x2
,
y′=x
よって,曲線の長さ
L
は公式より
L=∫10√1+x2dx
となる.
x=tant
とおく置換積分にによって値を求める.
dxdt=1cos2t
→
dx=1cos2tdt
よって
=∫π40√1+tan2t⋅1cos2tdt
=∫π40√1cos2t⋅1cos2tdt
0<t<π4
では,
cost>0
.よって
=∫π401cost⋅1cos2tdt
=∫π401cos3tdt
=∫π40costcos4tdt
=∫π40cost(1−sin2t)2dt
u=sint
とおく.
dudt=cost
→
costdt=du
よって
=∫1√201(1−u2)2du
=∫1√201(1−u)2(1+u)2du
ここで,被積分関数を部分分数に分解する.
1(1−u)2(1+u)2=a(1−u)2+b1−u+c(1+u)2+d1+u
=a+b(1−u)(1−u)2+c+d(1+u)(1+u)2
=(a+b)−bu(1−u)2+(c+d)+du(1+u)2
={(a+b)−bu}(1+u)2+{(c+d)+du}(1−u)2(1−u)2(1+u)2
={(a+b)−bu}(1+2u+u2)+{(c+d)+du}(1−2u+u2)(1−u)2(1+u)2
・分子の計算
a+b+2(a+b)u+(a+b)u2
−bu−2bu2−bu3
c+d−2(c+d)u+(c+d)u2
du−2du2+du3
=a+b+c+d
+(2a+b−2c−d)t
+(a−b+c−d)t2
+(−b+d)t3
ここで
a+b+c+d=1
・・・・・・(1)
2a+b−2c−d=0
・・・・・・(2)
a−b+c−d=0
・・・・・・(3)
−b+d=0
・・・・・・(4)
である.(4)より
d=b
・・・・・・(5)
(5)を(2)に代入
2a+b−2c−b=0
a−c=0
a=c
・・・・・・(6)
(5)を(3)に代入
a−b+c−b=0
a+c−2b=0
これに(6)を代入
a+a−2b=0
2a−2b=0
a=b
・・・・・・(7)
(7)と(5)より
d=a
・・・・・・(8)
(6),(7),(8)を(1)に代入
a+a+a+a=1
4a=1
a=14
よって
a=b=c=d=14
となる.したがって
=∫1√201(1−u)2(1+u)2
=14∫1√20{1(1−u)2+11−u+1(1+u)2+11+u}dx
=14[11−u−log|1−u|−11+u+log|1+u|]1√20
=14⎛⎜⎝11−1√2−log∣∣∣1−1√2∣∣∣−11+1√2+log∣∣∣1+1√2∣∣∣−1+1⎞⎟⎠
=14{√2√2−1−log(√2−1√2)−√2√2+1+log(√2+1√2)}
=14⎧⎪⎨⎪⎩√2(√2+1)−√2(√2−1)(√2−1)(√2+1)+log√2+1√2−1⎫⎪⎬⎪⎭
=14{2+√2−2+√22−1+log2+2√2+12−1}
=14{2√2+log(3+2√2)}
=√22+14log(3+2√2)
=√22+14log(√2+1)2
=√22+12log(√2+1)
■別解
L=∫10√1+x2dx
部分積分法を用いて計算をする.
=∫10(x)′√1+x2dx
=[x√1+x2]10−∫10x122x√1+x2dx
=√2−∫10x2√1+x2dx
=√2−∫101+x2−1√1+x2dx
=√2−∫10√1+x2dx+∫101√1+x2dx
=√2−L+[log∣∣x+√1+x2∣∣]10
=√2−L+log(1+√2)
よって
2L=√2+log(1+√2)
L=√22+12log(1+√2)
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最終更新日:2025年2月21日