定理証明済み
2曲線間の面積としての定積分
内容
f,g が [a,b] で連続であるとする。y=f(x)、y=g(x)、x=a、x=b で囲まれた領域 R の面積は S(R)=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx である。
なぜ正しいのか?
領域を幅 Δx の薄い縦の帯で近似する。各帯は高さ ∣f(x)−g(x)∣ の長方形にほぼ等しく、これらの長方形の面積の和はまさにリーマン和であり、帯が縮むにつれて定積分に収束する。
証明の概略
[a,b] を幅 Δx=(b−a)/n の n 個の小区間 [xi−1,xi] に分割し、各区間で標本点 xi∗ を選ぶ。[xi−1,xi] 上の領域の帯は、高さがおよそ ∣f(xi∗)−g(xi∗)∣ であり、その面積はおよそ ∣f(xi∗)−g(xi∗)∣Δx である。
すべての n 個の帯について足し合わせると、リーマン和 ∑i=1n∣f(xi∗)−g(xi∗)∣Δx が得られ、これは構成上 R の真の面積を近似する。
n→∞ のとき、各帯の近似の誤差はコンパクト区間 [a,b] 上の f−g の一様連続性により 0 に近づく。∣f−g∣ は連続なので、リーマン和はリーマン積分の定義により ∫ab∣f(x)−g(x)∣dx に収束する。よって S(R)=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx である。
[a,b] 全体で f(x)≥g(x) のとき、これは絶対値なしで S(R)=∫ab[f(x)−g(x)]dx に簡略化される。(a,b) 内の点で f−g の符号が変わるときは、その点で積分を分割し、各部分で正しい引き算の順序を選ぶことが実際の計算方法となる。
ステップごとの証明
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