プリンキピア

第5章積分

Approximating Area面積を近似する

Now that we have the necessary notation, we return to the problem at hand: approximating the area under a curve. Let f(x) be a continuous, nonnegative function defined on the closed interval [a,b]. We want to approximate the area A bounded by f(x) above, the x-axis below, the line x=a on the left, and the line x=b on the right (Figure 5.2).
英語のヒント
必要な記法がそろったので、曲線の下の面積を近似するという本題に戻ろう。f(x) を、閉区間 [a,b] で定義された連続かつ非負の関数とする。上を f(x)、下を x 軸、左を直線 x=a、右を直線 x=b で囲まれた領域の面積 A を近似したい(図5.2)。
第1象限のグラフ。上側の曲線 f(x)、下側の x 軸、左側の直線 x=a、右側の直線 x=b で囲まれた領域を示す。曲線は途中で上に凸から下に凸へ変わり、x=b の少し手前から増加し始める。

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Figure 5.2図 5.2
An area (shaded region) bounded by the curve f(x) at top, the x-axis at bottom, the line x=a to the left, and the line x=b at right.
上を曲線 f(x)、下を x 軸、左を直線 x=a、右を直線 x=b で囲まれた領域(網掛け部分)。
How do we approximate the area under this curve? The approach is a geometric one. By dividing a region into many small shapes that have known area formulas, we can sum these areas and obtain a reasonable estimate of the true area. We begin by dividing the interval [a,b] into n subintervals of equal width, b−an. We do this by selecting equally spaced points x0,x1,x2,…,xn with x0=a,xn=b, and
英語のヒント
この曲線の下の面積を、どう近似すればよいだろうか。ここでは幾何学的な方法を使う。領域を、面積の公式がわかっている小さな図形に数多く分け、その面積を足し合わせれば、真の面積に近い値を得られる。まず区間 [a,b] を、幅が等しい n 個の小区間に分ける。それぞれの幅は b−an である。具体的には、x0=a,xn=b を満たす等間隔の点 x0,x1,x2,…,xn を選び、次のように定める。
xi−xi−1=b−an
for i=1,2,3,…,n.
ただし i=1,2,3,…,n とする。
We denote the width of each subinterval with the notation Δx, so Δx=b−an and
英語のヒント
各小区間の幅を Δx と書く。したがって Δx=b−an であり、次のようになる。
xi=x0+iΔx
for i=1,2,3,…,n. This notion of dividing an interval [a,b] into subintervals by selecting points from within the interval is used quite often in approximating the area under a curve, so let’s define some relevant terminology.
英語のヒント
ただし i=1,2,3,…,n とする。このように区間内の点を選んで区間 [a,b] を小区間に分ける考え方は、曲線の下の面積の近似で繰り返し使う。そこで、関連する用語を定義しておこう。
We can use this regular partition as the basis of a method for estimating the area under the curve. We next examine two methods: the left-endpoint approximation and the right-endpoint approximation.
英語のヒント
この等分割をもとに、曲線の下の面積を見積もる方法を作れる。次に、「左端近似」と「右端近似」という二つの方法を調べよう。
曲線の下の面積を左端近似する図。頂点が y 軸上で x 軸より上にある放物線と、原点の a=x₀ から b=xₙ までに並ぶ長方形を示す。区切りは a=x₀、x₁、x₂、…、xₙ₋₁、b=xₙ の等間隔であり、各長方形の高さはその左端での関数値で決まる。

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Figure 5.3図 5.3
In the left-endpoint approximation of area under a curve, the height of each rectangle is determined by the function value at the left of each subinterval.
曲線の下の面積を左端近似するとき、各長方形の高さは各小区間の左端での関数値によって決まる。
The second method for approximating area under a curve is the right-endpoint approximation. It is almost the same as the left-endpoint approximation, but now the heights of the rectangles are determined by the function values at the right of each subinterval.
曲線の下の面積を近似する第2の方法が右端近似である。左端近似とほとんど同じだが、今度は各小区間の右端での関数値によって長方形の高さを決める。
曲線の下の面積を右端近似する図。頂点が y 軸上で x 軸より上にある放物線と、原点の a=x₀ から b=xₙ までに並ぶ長方形を示す。区切りは a=x₀、x₁、x₂、…、xₙ₋₁、b=xₙ の等間隔であり、各長方形の高さはその右端での関数値で決まる。

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Figure 5.4図 5.4
In the right-endpoint approximation of area under a curve, the height of each rectangle is determined by the function value at the right of each subinterval. Note that the right-endpoint approximation differs from the left-endpoint approximation in Figure 5.3.
曲線の下の面積を右端近似するとき、各長方形の高さは各小区間の右端での関数値によって決まる。図5.3の左端近似との違いに注目しよう。
The graphs in Figure 5.5 represent the curve f(x)=x22. In graph (a) we divide the region represented by the interval [0,3] into six subintervals, each of width 0.5. Thus, Δx=0.5. We then form six rectangles by drawing vertical lines perpendicular to xi−1, the left endpoint of each subinterval. We determine the height of each rectangle by calculating f(xi−1) for i=1,2,3,4,5,6. The intervals are [0,0.5],[0.5,1],[1,1.5],[1.5,2],[2,2.5],[2.5,3]. We find the area of each rectangle by multiplying the height by the width. Then, the sum of the rectangular areas approximates the area between f(x) and the x-axis. When the left endpoints are used to calculate height, we have a left-endpoint approximation. Thus,
英語のヒント
図5.5のグラフは曲線 f(x)=x22 を表す。図(a)では、区間 [0,3] に対応する領域を、幅がそれぞれ0.5の六つの小区間に分けている。したがって Δx=0.5 である。各小区間の左端 xi−1 の位置に鉛直線を引き、六つの長方形を作る。i=1,2,3,4,5,6 について f(xi−1) を計算し、それぞれの長方形の高さを決める。小区間は [0,0.5],[0.5,1],[1,1.5],[1.5,2],[2,2.5],[2.5,3] である。高さと幅を掛けて各長方形の面積を求め、それらを足すと、f(x) と x 軸の間の面積の近似値が得られる。高さを左端の値から求めるので、これは左端近似である。したがって、
A≈L6=∑i=16f(xi−1)Δx=f(x0)Δx+f(x1)Δx+f(x2)Δx+f(x3)Δx+f(x4)Δx+f(x5)Δx=f(0)0.5+f(0.5)0.5+f(1)0.5+f(1.5)0.5+f(2)0.5+f(2.5)0.5=(0)0.5+(0.125)0.5+(0.5)0.5+(1.125)0.5+(2)0.5+(3.125)0.5=0+0.0625+0.25+0.5625+1+1.5625=3.4375.
原点を頂点とする放物線の下の面積について、左端近似と右端近似を並べて比較した図。左図では各長方形の高さを左端での関数値で決め、右図では右端での関数値で決める。どちらも原点から点(3,0)までを等間隔 Δx で分け、区切りを x₀ から x₆ と表示している。

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Figure 5.5図 5.5
Methods of approximating the area under a curve by using (a) the left endpoints and (b) the right endpoints.
曲線の下の面積を、(a)左端、(b)右端を用いて近似する方法。
In Figure 5.5(b), we draw vertical lines perpendicular to xi such that xi is the right endpoint of each subinterval, and calculate f(xi) for i=1,2,3,4,5,6. We multiply each f(xi) by Δx to find the rectangular areas, and then add them. This is a right-endpoint approximation of the area under f(x). Thus,
英語のヒント
図5.5(b)では、各小区間の右端が xi となるように、xi の位置に鉛直線を引く。i=1,2,3,4,5,6 について f(xi) を求め、各 f(xi) に Δx を掛けて長方形の面積を計算し、すべて足し合わせる。これは f(x) の下の面積の右端近似である。したがって、
A≈R6=∑i=16f(xi)Δx=f(x1)Δx+f(x2)Δx+f(x3)Δx+f(x4)Δx+f(x5)Δx+f(x6)Δx=f(0.5)0.5+f(1)0.5+f(1.5)0.5+f(2)0.5+f(2.5)0.5+f(3)0.5=(0.125)0.5+(0.5)0.5+(1.125)0.5+(2)0.5+(3.125)0.5+(4.5)0.5=0.0625+0.25+0.5625+1+1.5625+2.25=5.6875.
Example 5.4例題 5.4

Approximating the Area Under a Curve曲線の下の面積の近似

Use both left-endpoint and right-endpoint approximations to approximate the area under the curve of f(x)=x2 on the interval [0,2]; use n=4.
区間 [0,2] で曲線 f(x)=x2 の下の面積を、左端近似と右端近似の両方を使って近似せよ。n=4 とする。
Solution解き方
First, divide the interval [0,2] into n equal subintervals. Using n=4,Δx=(2−0)4=0.5. This is the width of each rectangle. The intervals [0,0.5],[0.5,1],[1,1.5],[1.5,2] are shown in Figure 5.6. Using a left-endpoint approximation, the heights are f(0)=0,f(0.5)=0.25,f(1)=1,f(1.5)=2.25. Then,
まず区間 [0,2] を n 個の等しい小区間に分ける。n=4,Δx=(2−0)4=0.5 となり、これが各長方形の幅である。小区間 [0,0.5],[0.5,1],[1,1.5],[1.5,2] を図5.6に示す。左端近似では、高さは f(0)=0,f(0.5)=0.25,f(1)=1,f(1.5)=2.25 となる。したがって、
L4=f(x0)Δx+f(x1)Δx+f(x2)Δx+f(x3)Δx=0(0.5)+0.25(0.5)+1(0.5)+2.25(0.5)=1.75.
0から2までの曲線 f(x)=x² の下の面積を、幅0.5の長方形で左端近似したグラフ。各長方形の高さは、その左端での関数値によって決まる。

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Figure 5.6図 5.6
The graph shows the left-endpoint approximation of the area under f(x)=x2 from 0 to 2.
0から2までの f(x)=x2 の下の面積の左端近似。
The right-endpoint approximation is shown in Figure 5.7. The intervals are the same, Δx=0.5, but now use the right endpoint to calculate the height of the rectangles. We have
右端近似を図5.7に示す。小区間は同じで Δx=0.5 だが、今度は右端の値を使って長方形の高さを計算する。次のようになる。
R4=f(x1)Δx+f(x2)Δx+f(x3)Δx+f(x4)Δx=0.25(0.5)+1(0.5)+2.25(0.5)+4(0.5)=3.75.
0から2までの曲線 f(x)=x² の下の面積を、幅0.5の長方形で右端近似したグラフ。各長方形の高さは、その右端での関数値によって決まる。

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Figure 5.7図 5.7
The graph shows the right-endpoint approximation of the area under f(x)=x2 from 0 to 2.
0から2までの f(x)=x2 の下の面積の右端近似。
The left-endpoint approximation is 1.75; the right-endpoint approximation is 3.75.
左端近似は1.75、右端近似は3.75となる。
Looking at Figure 5.5 and the graphs in Example 5.4, we can see that when we use a small number of intervals, neither the left-endpoint approximation nor the right-endpoint approximation is a particularly accurate estimate of the area under the curve. However, it seems logical that if we increase the number of points in our partition, our estimate of A will improve. We will have more rectangles, but each rectangle will be thinner, so we will be able to fit the rectangles to the curve more precisely.
英語のヒント
図5.5と例題5.4のグラフを見ると、小区間の数が少ない場合、左端近似も右端近似も、曲線の下の面積の特に正確な見積もりとはいえないことがわかる。しかし、分割の点を増やせば、A の見積もりが改善するはずだと考えられる。長方形の数は増えるが、一つひとつは細くなる。そのため、長方形を曲線にいっそう正確に合わせられる。
We can demonstrate the improved approximation obtained through smaller intervals with an example. Let’s explore the idea of increasing n, first in a left-endpoint approximation with four rectangles, then eight rectangles, and finally 32 rectangles. Then, let’s do the same thing in a right-endpoint approximation, using the same sets of intervals, of the same curved region. Figure 5.8 shows the area of the region under the curve f(x)=(x−1)3+4 on the interval [0,2] using a left-endpoint approximation where n=4. The width of each rectangle is
英語のヒント
小区間を細かくすると近似が改善することを、具体例で確かめよう。まず左端近似で、長方形を4個、8個、最後に32個と増やしてみる。その後、同じ曲線で囲まれた領域に対して、同じ小区間を使って右端近似も行う。図5.8は、区間 [0,2] における曲線 f(x)=(x−1)3+4 の下の面積を、n=4 の左端近似で求める図である。各長方形の幅は、次のようになる。
Δx=2−04=12.
Δx=2−04=12
The area is approximated by the summed areas of the rectangles, or
各長方形の面積を足し合わせて、面積を次のように近似する。
L4=f(0)(0.5)+f(0.5)(0.5)+f(1)(0.5)+f(1.5)0.5=7.5.
a=x₀ から b=x₄ までの曲線の下の面積を左端近似するグラフ。長方形の高さは左端での関数値から決まる。

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Figure 5.8図 5.8
With a left-endpoint approximation and dividing the region from a to b into four equal intervals, the area under the curve is approximately equal to the sum of the areas of the rectangles.
a から b までを四つの等しい区間に分けて左端近似すると、曲線の下の面積は長方形の面積の和にほぼ等しい。
Figure 5.9 shows the same curve divided into eight subintervals. Comparing the graph with four rectangles in Figure 5.8 with this graph with eight rectangles, we can see there appears to be less white space under the curve when n=8. This white space is area under the curve we are unable to include using our approximation. The area of the rectangles is
図5.9では、同じ曲線に対して区間を八つに分けている。四つの長方形を使った図5.8と比べると、n=8 の場合は曲線の下の白い部分が少なくなっているように見える。この白い部分は、近似の長方形では含められない、曲線の下の面積である。長方形の面積の和は、次のようになる。
L8=f(0)(0.25)+f(0.25)(0.25)+f(0.5)(0.25)+f(0.75)(0.25)+f(1)(0.25)+f(1.25)(0.25)+f(1.5)(0.25)+f(1.75)(0.25)=7.75.
a=x₀ から b=x₈ までの曲線の下の面積を左端近似するグラフ。各長方形の高さは左端での関数値から決まる。

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Figure 5.9図 5.9
The region under the curve is divided into n=8 rectangular areas of equal width for a left-endpoint approximation.
左端近似のために、曲線の下の領域を、n=8 として、幅の等しい長方形で近似する。
The graph in Figure 5.10 shows the same function with 32 rectangles inscribed under the curve. There appears to be little white space left. The area occupied by the rectangles is
英語のヒント
図5.10では、同じ関数の曲線の下に32個の長方形を入れている。残る白い部分はわずかに見える。長方形が占める面積は、次のようになる。
L32=f(0)(0.0625)+f(0.0625)(0.0625)+f(0.125)(0.0625)+⋯+f(1.9375)(0.0625)=7.9375.
a=x₀ から b=x₃₂ までの曲線の下の面積を左端近似するグラフ。各長方形の高さは左端での関数値から決まる。

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Figure 5.10図 5.10
Here, 32 rectangles are inscribed under the curve for a left-endpoint approximation.
左端近似のために、曲線の下に32個の長方形を入れた図。
We can carry out a similar process for the right-endpoint approximation method. A right-endpoint approximation of the same curve, using four rectangles (Figure 5.11), yields an area
英語のヒント
右端近似でも同様の計算ができる。同じ曲線について四つの長方形を使って右端近似すると(図5.11)、面積は次の値になる。
R4=f(0.5)(0.5)+f(1)(0.5)+f(1.5)(0.5)+f(2)(0.5)=8.5.
x₀ から x₄ までの曲線の下の面積を右端近似するグラフ。各長方形の高さは右端での関数値から決まる。

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Figure 5.11図 5.11
Now we divide the area under the curve into four equal subintervals for a right-endpoint approximation.
曲線の下の面積を右端近似するため、区間を四つに等分する。
Dividing the region over the interval [0,2] into eight rectangles results in Δx=2−08=0.25. The graph is shown in Figure 5.12. The area is
区間 [0,2] 上の領域を八つの長方形で近似する場合、Δx=2−08=0.25 となる。グラフを図5.12に示す。面積は次の値になる。
R8=f(0.25)(0.25)+f(0.5)(0.25)+f(0.75)(0.25)+f(1)(0.25)+f(1.25)(0.25)+f(1.5)(0.25)+f(1.75)(0.25)+f(2)(0.25)=8.25.
a=x₀ から b=x₈ までの曲線の下の面積を右端近似するグラフ。各長方形の高さは右端での関数値から決まる。

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Figure 5.12図 5.12
Here we use right-endpoint approximation for a region divided into eight equal subintervals.
八つの等しい小区間に分けた領域に右端近似を用いた図。
Last, the right-endpoint approximation with n=32 is close to the actual area (Figure 5.13). The area is approximately
最後に、n=32 とした右端近似は、実際の面積に近くなる(図5.13)。面積の近似値は、次のとおりである。
R32=f(0.0625)(0.0625)+f(0.125)(0.0625)+f(0.1875)(0.0625)+⋯+f(2)(0.0625)=8.0625.
a=x₀ から b=x₃₂ までの曲線の下の面積を右端近似するグラフ。各長方形の高さは右端での関数値から決まる。

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Figure 5.13図 5.13
The region is divided into 32 equal subintervals for a right-endpoint approximation.
右端近似のため、領域を32個の等しい小区間に分けた図。
Based on these figures and calculations, it appears we are on the right track; the rectangles appear to approximate the area under the curve better as n gets larger. Furthermore, as n increases, both the left-endpoint and right-endpoint approximations appear to approach an area of 8 square units. Table 5.1 shows a numerical comparison of the left- and right-endpoint methods. The idea that the approximations of the area under the curve get better and better as n gets larger and larger is very important, and we now explore this idea in more detail.
英語のヒント
これらの図と計算から、この方法はうまくいきそうだとわかる。n が大きくなるほど、長方形による近似は曲線の下の面積に近づいているように見える。さらに、n を増やすと、左端近似と右端近似はどちらも8平方単位という面積に近づいているように見える。表5.1では、二つの方法の結果を数値で比較している。n を次第に大きくすれば曲線の下の面積の近似が次第に正確になる、という考え方は非常に重要である。そこで、これから詳しく調べる。

Converging Values of Left- and Right-Endpoint Approximations as n Increasesn を増やしたときの左端近似と右端近似の収束

Values of n
n の値
Approximate Area Ln
面積の近似値 Ln
Approximate Area Rn
面積の近似値 Rn
n=4
7.5
8.5
n=8
7.75
8.25
n=32
7.94
8.06
Table 5.1表 5.1