曲線の長さを求める問題

■問題

曲線  y = 1 2 x 2 ( 0 ≦ x ≦ 1 ) の長さを求めよ.

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■答

2 2 + 1 2 log ( 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 = 1 2 x 2 , y ′ = x

よって,曲線の長さ L は公式より

L = ∫ 0 1 1 + x 2 d x

となる. x = tan t とおく置換積分にによって値を求める.

d x d t = 1 cos 2 t →  d x = 1 cos 2 t d t

x 0 → 1
t 0 → π 4

よって

= ∫ 0 π 4 1 + tan 2 t ⋅ 1 cos 2 t d t

= ∫ 0 π 4 1 cos 2 t ⋅ 1 cos 2 t d t

0 < t < π 4 では, cos t > 0 .よって

= ∫ 0 π 4 1 cos t ⋅ 1 cos 2 t d t

= ∫ 0 π 4 1 cos 3 t d t

= ∫ 0 π 4 cos t cos 4 t d t

= ∫ 0 π 4 cos t ( 1 − sin 2 t ) 2 d t

u = sin t とおく.

d u d t = cos t →  cos t d t = d u

t 0 → π 4
u 0 → 1 2

よって

= ∫ 0 1 2 1 ( 1 − u 2 ) 2 d u

= ∫ 0 1 2 1 ( 1 − u ) 2 ( 1 + u ) 2 d u

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 + b 1 − u + c ( 1 + u ) 2 + d 1 + u

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

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

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

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

・分子の計算

a + b + 2 ( a + b ) u + ( a + b ) u 2 − b u − 2 b u 2 − b u 3 c + d − 2 ( c + d ) u + ( c + d ) u 2 d u − 2 d u 2 + d u 3

= a + b + c + d + ( 2 a + b − 2 c − d ) t + ( a − b + c − d ) t 2 + ( − b + d ) t 3

ここで

a + b + c + d = 1 ・・・・・・(1)

2 a + b − 2 c − 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

2 a + b − 2 c − b = 0

a − c = 0

a = c ・・・・・・(6)

(5)を(3)に代入

a − b + c − b = 0

a + c − 2 b = 0

これに(6)を代入

a + a − 2 b = 0

2 a − 2 b = 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

4 a = 1

a = 1 4

よって

a = b = c = d = 1 4

となる.したがって

= ∫ 0 1 2 1 ( 1 − u ) 2 ( 1 + u ) 2

= 1 4 ∫ 0 1 2 { 1 ( 1 − u ) 2 + 1 1 − u + 1 ( 1 + u ) 2 + 1 1 + u } d x

= 1 4 [ 1 1 − u − log | 1 − u | − 1 1 + u + log | 1 + u | ] 0 1 2

= 1 4 ( 1 1 − 1 2 − log | 1 − 1 2 | − 1 1 + 1 2 + log | 1 + 1 2 | − 1 + 1 )

= 1 4 { 2 2 − 1 − log ( 2 − 1 2 ) − 2 2 + 1 + log ( 2 + 1 2 ) }

= 1 4 { 2 ( 2 + 1 ) − 2 ( 2 − 1 ) ( 2 − 1 ) ( 2 + 1 ) + log 2 + 1 2 − 1 }

= 1 4 { 2 + 2 − 2 + 2 2 − 1 + log 2 + 2 2 + 1 2 − 1 }

= 1 4 { 2 2 + log ( 3 + 2 2 ) }

= 2 2 + 1 4 log ( 3 + 2 2 )

= 2 2 + 1 4 log 2 + 1 2

= 2 2 + 1 2 log ( 2 + 1 )

 

■別解

L = ∫ 0 1 1 + x 2 d x

部分積分法を用いて計算をする.

= ∫ 0 1 ( x ) ' 1 + x 2 d x

= [ x 1 + x 2 ] 0 1 − ∫ 0 1 x 1 2 2 x 1 + x 2 d x

= 2 − ∫ 0 1 x 2 1 + x 2 d x

= 2 − ∫ 0 1 1 + x 2 − 1 1 + x 2 d x

= 2 − ∫ 0 1 1 + x 2 d x + ∫ 0 1 1 1 + x 2 d x

= 2 − L + [ log | x + 1 + x 2 | ] 0 1

= 2 − L + log ( 1 + 2 )

よって

2 L = 2 + log ( 1 + 2 )

L = 2 2 + 1 2 log ( 1 + 2 )

 

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最終更新日:2026年10月6日