問題を解くのに必要な知識を確認するにはこのグラフ図を利用してください.

曲線の長さを求める問題

■問題

曲線  y=12x2 (0x1) の長さを求めよ.

■解説動画

積分の動画一覧のページへ

■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=12x2y=x

よって,曲線の長さ L公式より

L=011+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

x 01
t 0π4

よって

=0π41+tan2t1cos2tdt

=0π41cos2t1cos2tdt

0<t<π4 では, cost>0 .よって

=0π41cost1cos2tdt

=0π41cos3tdt

=0π4costcos4tdt

=0π4cost(1sin2t)2dt

u=sint とおく.

dudt=cost →  costdt=du

t 0π4
u 012

よって

=0121(1u2)2du

=0121(1u)2(1+u)2du

ここで,被積分関数を部分分数に分解する.

1(1u)2(1+u)2=a(1u)2+b1u+c(1+u)2+d1+u

=a+b(1u)(1u)2+c+d(1+u)(1+u)2

=(a+b)bu(1u)2+(c+d)+du(1+u)2

={(a+b)bu}(1+u)2+{(c+d)+du}(1u)2(1u)2(1+u)2

={(a+b)bu}(1+2u+u2)+{(c+d)+du}(12u+u2)(1u)2(1+u)2

・分子の計算

a+b+2(a+b)u+(a+b)u2 bu2bu2bu3 c+d2(c+d)u+(c+d)u2 du2du2+du3

=a+b+c+d +(2a+b2cd)t +(ab+cd)t2 +(b+d)t3

ここで

a+b+c+d=1 ・・・・・・(1)

2a+b2cd=0 ・・・・・・(2)

ab+cd=0 ・・・・・・(3)

b+d=0 ・・・・・・(4)

である.(4)より

d=b ・・・・・・(5)

(5)を(2)に代入

2a+b2cb=0

ac=0

a=c ・・・・・・(6)

(5)を(3)に代入

ab+cb=0

a+c2b=0

これに(6)を代入

a+a2b=0

2a2b=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

=0121(1u)2(1+u)2

=14012{1(1u)2+11u+1(1+u)2+11+u}dx

=14[11ulog|1u|11+u+log|1+u|]012

=14(1112log|112|11+12+log|1+12|1+1)

=14{221log(212)22+1+log(2+12)}

=14{2(2+1)2(21)(21)(2+1)+log2+121}

=14{2+22+221+log2+22+121}

=14{22+log(3+22)}

=22+14log(3+22)

=22+14log2+12

=22+12log(2+1)

 

■別解

L=011+x2dx

部分積分法を用いて計算をする.

=01(x)'1+x2dx

=[x1+x2]0101x122x1+x2dx

=201x21+x2dx

=2011+x211+x2dx

=2011+x2dx+0111+x2dx

=2L+[log|x+1+x2|]01

=2L+log(1+2)

よって

2L=2+log(1+2)

L=22+12log(1+2)

 

ホーム>>カテゴリー分類>>積分>>積分の問題>>定積分の問題>>曲線の長さ

学生スタッフ作成
最終更新日:2025年2月21日

[ページトップ]

金沢工業大学

利用規約

google translate (English version)

Chat window

The chat window has been closed