MathLabs
定理証明済み

2曲線間の面積としての定積分

内容

f,gf,g が [a,b][a,b] で連続であるとする。y=f(x)y=f(x)、y=g(x)y=g(x)、x=ax=a、x=bx=b で囲まれた領域 RR の面積は S(R)=∫ab∣f(x)−g(x)∣ dxS(R)=\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx である。

なぜ正しいのか?

領域を幅 Δx\Delta x の薄い縦の帯で近似する。各帯は高さ ∣f(x)−g(x)∣|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][a,b] を幅 Δx=(b−a)/n\Delta x=(b-a)/n の nn 個の小区間 [xi−1,xi][x_{i-1},x_i] に分割し、各区間で標本点 xi∗x_i^* を選ぶ。[xi−1,xi][x_{i-1},x_i] 上の領域の帯は、高さがおよそ ∣f(xi∗)−g(xi∗)∣|f(x_i^*)-g(x_i^*)| であり、その面積はおよそ ∣f(xi∗)−g(xi∗)∣ Δx|f(x_i^*)-g(x_i^*)|\,\Delta x である。

すべての nn 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\sum_{i=1}^n |f(x_i^*)-g(x_i^*)|\,\Delta x が得られ、これは構成上 RR の真の面積を近似する。

n→∞n\to\infty のとき、各帯の近似の誤差はコンパクト区間 [a,b][a,b] 上の f−gf-g の一様連続性により 00 に近づく。∣f−g∣|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\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx に収束する。よって S(R)=∫ab∣f(x)−g(x)∣ dxS(R)=\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx である。

[a,b][a,b] 全体で f(x)≥g(x)f(x)\ge g(x) のとき、これは絶対値なしで S(R)=∫ab[f(x)−g(x)] dxS(R)=\int_a^b[f(x)-g(x)]\,dx に簡略化される。(a,b)(a,b) 内の点で f−gf-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。

この定理を使うトピック

ステップごとの証明

この定理のステップごとの証明はまだありません。

参考文献

  1. Michael Spivak (2008). Calculus
  2. James Stewart (2015). Calculus: Early Transcendentals