積分の問題(応用)

積分の問題(応用)

■問題

y=x+ x 2 +5 の逆関数を y=f(x) とする.

(1) f(x) を求めよ.

(2)定積分 ∫ 5 5 f(x)dx を求めよ.

■答

(1) f(x)= x 2 −5 2x  

(2) 5− 5log5 4

■解説

(1) y=x+ x 2 +5 を x について解く.

y−x= x 2 +5

ここで, y−x > 0 に注意する.

両辺を2乗すると,

( y−x ) 2 = ( x 2 +5 ) 2

y 2 −2xy+ x 2 = x 2 +5

x について解くと,

y 2 −2xy+ x 2 = x 2 +5

y 2 −2xy=5

−2xy=5− y 2

x=− 5− y 2 2y = y 2 −5 2y ・・・・・・(1)

ここで, y=x+ x 2 +5 の定義域を考える.

y=x+ x 2 +5 のグラフを以下に示す.

定義域:実数全体 (ちなみに値域は, y>0 )

逆関数を求めるために(1)式の x と y を入れ替えると,

y=f(x)= x 2 −5 2x

逆関数 y= x 2 −5 2x のグラフを以下に示す.

逆関数を求める際に x と y を入れ替えているので,逆関数の定義域は元の関数の値域になる.

よって,逆関数の定義域は x>0 となる.

(ちなみに値域は,実数全体)

y=f( x)= x 2 −5 2x

よって, y−x= x 2 +5 の逆関数は,(1)の x と y を入れ替えて y= x 2 −5 2x となる(青線のグラフ).

(2)(1)より,定積分 ∫ 5 5 f(x) dx を求めると,

∫ 5 5 f(x) dx

= ∫ 5 5 x 2 −5 2x dx

= ∫ 5 5 ( x 2 − 5 2x ) dx

= [ 1 4 x 2 − 5 2 logx ] 5 5

= 1 4 ⋅ 5 2 − 5 2 log5 −( 1 4 ⋅ 5 2 − 5 2 log 5 )

= 25 4 − 5 2 log5− 5 4 + 5 2 log 5

= 20 4 − 5 2 log5+ 5 2 log 5 1 2

=5− 5 2 log5+ 1 2 ⋅ 5 2 log5

=5− 5 2 log5+ 5 4 log5

=5 − 5log5 4

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最終更新日: 2023年11月24日