曲線の長さの求め方！積分公式や証明、問題の解き方 | 受験辞典
曲線の長さを積分を用いて求めます。 媒介変数表示を用いる場合 公式 $\displaystyle L=\int_a^b \sqrt{\Big(\cfrac{dx}{dt}\Big)^2+\Big(\cfrac{dy}{dt}\Big)^2}\space dt$ これが媒介変数表示のときの曲線の長さを求める公式。 直線の例で考える 簡単な例で具体的に見てみましょう。 例えば,次の式で表される線の長さを求めます。 $\begin{cases}x=2t\\y=3t\end{cases}$ $t=1$ なら,$(x, y)=(2, 3)$ で,$t=2$ なら $(x, y)=(4, 6)$ です。 比例関係だよね。つまり直線になる。 たまにみるけど $\Delta$ って何なんですか?
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以上より,公式が導かれる. ( 区分求積法 を参考する) ホーム >> カテゴリー分類 >> 積分 >> 定積分の定義 >>曲線の長さ 最終更新日: 2017年3月10日
東大塾長の山田です。 このページでは、 曲線の長さを求める公式 について詳しくまとめています! 色々な表示形式における公式の説明をした後に、例題を用いて公式の使い方を覚え、最後に公式の証明を行うことで、この分野に関する体系的な知識を身に着けることができます。 ぜひ勉強の参考にしてください! 1. 曲線の長さ まずは、 公式の形とそれについての補足説明 を行います。 1. 【積分】曲線の長さの求め方！公式から練習問題まで｜高校生向け受験応援メディア「受験のミカタ」. 1 公式 関数の表示のされ方によって、公式の形は異なります (本質的にはすべて同じ) 。今回は、 「媒介変数表示」「陽関数表示」「極座標表示」 のそれぞれ場合の公式についてまとめました。 これらは覚えておく必要があります! 1. 2 補足(定理の前提条件) これらの公式、 便利なように思えてルートの中に二乗の和が登場してしまうので、 計算量が多くなってしまいがち です。(実際に計算が遂行できるような関数はあまり多くない) また、 定理の前提条件 を抑えておくと以下で扱う証明のときに役立ちます。上の公式が使える条件は、 登場してきた関数\(f(t), g(t), f(x), f(\theta)\)が\(\alpha≦\theta ≦\beta\)において連続∧微分可能である必要 があります。 これはのちの証明の際にもう一度扱います。 2. 例題 公式の形は頭に入ったでしょうか? 実際に問題を解くことで確認してみましょう。 2. 1 問題 2. 2 解答 それぞれに当てはまる公式を用いていきましょう!
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高校数学Ⅲ 積分法の応用(面積・体積・長さ) 2019. 06. 23 図の右下のg(β)はf(β)の誤りです。 検索用コード 基本的に公式を暗記しておけば済むが, \ 導出過程を大まかに述べておく. Δ tが小さいとき, \ 三平方の定理より\ Δ L{(Δ x)²+(Δ y)²}\ と近似できる. 次の曲線の長さ$L$を求めよ. いずれも曲線を図示したりする必要はなく, \ 公式に当てはめて淡々と積分計算すればよい. 実は, \ 曲線の長さを問う問題では, \ 同じ関数ばかりが出題される. 根号をうまくはずせて積分計算できる関数がかなり限られているからである. また, \ {根号をはずすと絶対値がつく}ことに注意する. \ 一般に, \ {A²}=A}\ である. {積分区間をもとに絶対値もはずして積分計算}することになる. 2倍角の公式\ sin2θ=2sinθcosθ\ の逆を用いて次数を下げる. うまく2乗の形が作れることに気付かなければならない. 曲線の長さ積分で求めると0になった. 1cosθ}\ の積分}の仕方を知っていなければならない. {半角の公式\ sin²{θ}{2}={1-cosθ}{2}, cos²{θ}{2}={1+cosθ}{2}\ を逆に用いて2乗の形にする. } なお, \ 極座標表示の曲線の長さの公式は受験では準裏技的な扱いである. 記述試験で無断使用すると減点の可能性がないとはいえないので注意してほしい. {媒介変数表示に変換}して求めるのが正攻法である. つまり, \ x=rcosθ=2(1+cosθ)cosθ, y=rsinθ=2(1+sinθ)sinθ\ とすればよい. 回りくどくやや難易度が上がるこの方法は, \ カージオイドの長さの項目で取り扱っている.
積分の概念を端的に表すと" 微小要素を足し合わせる "ことであった. 高校数学で登場する積分といえば 原始関数を求める か 曲線に囲まれた面積を求める ことに使われるのがもっぱらであるが, これらの応用として 曲線の長さを求める ことにも使われている. 物理学では 曲線自身の長さを求めること に加えて, 曲線に沿って存在するようなある物理量を積分する ことが必要になってくる. このような計算に用いられる積分を 線積分 という. 線積分の概念は高校数学の 区分求積法 を理解していれば特別に難しいものではなく, むしろ自然に感じられることであろう. 以下の議論で 躓 ( つまず) いてしまった人は, 積分法 または数学の教科書の区分求積法を確かめた後で再チャレンジしてほしい [1]. 線積分 スカラー量と線積分 接ベクトル ベクトル量と線積分 曲線の長さを求めるための最も簡単な手法は, 曲線自身を伸ばして直線にして測ることであろう. 曲線の長さを求める積分公式 | 理系ラボ. しかし, 我々が自由に引き伸ばしたりすることができない曲線に対しては別の手法が必要となる. そこで登場するのが積分の考え方である. 積分の考え方にしたがって, 曲線を非常に細かい(直線に近似できるような)線分に分割後にそれらの長さを足し合わせることで元の曲線の長さを求める のである. 下図のように, 二次元平面上に始点が \( \boldsymbol{r}_{A} = \left( x_{A}, y_{A} \right) \) で終点が \( \boldsymbol{r}_{B}=\left( x_{B}, y_{B} \right) \) の曲線 \(C \) を細かい \(n \) 個の線分に分割することを考える [2]. 分割後の \(i \) 番目の線分 \(dl_{i} \ \left( i = 0 \sim n-1 \right) \) の始点と終点はそれぞれ, \( \boldsymbol{r}_{i}= \left( x_{i}, y_{i} \right) \) と \( \boldsymbol{r}_{i+1}= \left( x_{i+1}, y_{i+1} \right) \) で表すことができる. 微小な線分 \(dl_{i} \) はそれぞれ直線に近似できる程度であるとすると, 三平方の定理を用いて \[ dl_{i} = \sqrt{ \left( x_{i+1} – x_{i} \right)^2 + \left( y_{i+1} – y_{i} \right)^2} \] と表すことができる.
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5em}\frac{dx}{dt}\cdot dt \\ \displaystyle = \int_{t_1}^{t_2} \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2} \hspace{0. 曲線の長さ 積分. 5em}dt \end{array}\] \(\displaystyle L = \int_{t_1}^{t_2} \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2} \hspace{0. 5em}dt\) 物理などで,質点 \(\mbox{P}\) の位置ベクトルが時刻 \(t\) の関数として \(\boldsymbol{P} = \left(x(t)\mbox{,}y(t)\right)\) で与えられているとき,質点 \(\mbox{P}\) の速度ベクトルが \(\displaystyle \boldsymbol{v} = \left(\frac{dx}{dt}\mbox{,}\frac{dy}{dt}\right)\) であることを学びました。 \[\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2} = \left\|\boldsymbol{v}\right\|\] ですから,速度ベクトルの大きさ(つまり速さ)を積分すると質点の移動距離を求めることができる・・・ということと上の式は一致しています。 課題2 次の曲線の長さを求めましょう。 \(\left\{\begin{array}{l} x = t - \sin t \\ y = 1 - \cos t \end{array}\right. \quad \left(0 \leqq t \leqq 2\pi\right)\) この曲線はサイクロイドと呼ばれるものです。 解答 隠す \(\displaystyle \left\{\begin{array}{l} x = \cos^3 t \\ y = \sin^3 t \end{array}\right. \quad \left(0 \leqq t \leqq \frac{\pi}{2}\right)\) この曲線はアステロイドと呼ばれるものです。 解答 隠す Last modified: Monday, 31 May 2021, 12:49 PM
したがって, 曲線の長さ \(l \) は細かな線分の長さとほぼ等しく, \[ \begin{aligned} & dl_{0} + dl_{1} + \cdots + dl_{n-1} \\ \to \ & \ \sum_{i=0}^{n-1} dl_{i} = \sum_{i=0}^{n-1} \sqrt{ \left( x_{i+1} – x_{i} \right)^2 + \left( y_{i+1} – y_{i} \right)^2} \end{aligned} \] で表すことができる. 最終的に \(n \to \infty \) という極限を行えば \[ l = \lim_{n \to \infty} \sum_{i=0}^{n-1} \sqrt{ \left( x_{i+1} – x_{i} \right)^2 + \left( y_{i+1} – y_{i} \right)^2} \] が成立する. 曲線の長さの求め方！積分公式や証明、問題の解き方 | 受験辞典. さらに, \[ \left\{ \begin{aligned} dx_{ i} &= x_{ i+1} – x_{ i} \\ dy_{ i} &= y_{ i+1} – y_{ i} \end{aligned} \right. \] と定義すると, 曲線の長さを次のように式変形することができる. l &= \lim_{n \to \infty} \sum_{i=0}^{n-1} \sqrt{ {dx_{i}}^2 + {dy_{i}}^2} \\ &= \lim_{n \to \infty} \sum_{i=0}^{n-1} \sqrt{ \left\{ 1 + \left( \frac{dy_{i}}{dx_{i}} \right)^2 \right\} {dx_{i}}^2} \\ &= \lim_{n \to \infty} \sum_{i=0}^{n-1} \sqrt{ 1 + \left( \frac{dy_{i}}{dx_{i}} \right)^2} dx_{i} 曲線の長さを表す式に登場する \( \displaystyle{ \frac{dy_{i}}{dx_{i}}} \) において \(y_{i} = y(x_{i}) \) であることを明確にして書き下すと, \[ \frac{dy_{i}}{dx_{i}} = \frac{ y( x_{i+1}) – y( x_{i})}{ dx_{i}} \] である.