プリンキピア

第5章積分

Key Concepts重要な概念

  • The definite integral can be used to calculate net signed area, which is the area above the x-axis less the area below the x-axis. Net signed area can be positive, negative, or zero.
    定積分で符号付き面積を計算できる。これは x 軸より上の面積から下の面積を引いた値であり、正・負・0のいずれにもなる。
  • The component parts of the definite integral are the integrand, the variable of integration, and the limits of integration.
    定積分を構成する要素は、被積分関数、積分変数、積分区間の端点である。
  • Continuous functions on a closed interval are integrable. Functions that are not continuous may still be integrable, depending on the nature of the discontinuities.
    閉区間上の連続関数は積分可能である。連続でない関数も、不連続の性質によっては積分可能である。
  • The properties of definite integrals can be used to evaluate integrals.
    定積分の性質を使って、積分の値を求められる。
  • The area under the curve of many functions can be calculated using geometric formulas.
    多くの関数について、曲線の下の面積は幾何学の公式から求められる。
  • The average value of a function can be calculated using definite integrals.
    定積分を使って、関数の平均値を計算できる。

Key Equations重要な式

Definite Integral
定積分
∫abf(x)dx=limn→∞∑i=1nf(xi*)Δx
Properties of the Definite Integral
定積分の性質
∫aaf(x)dx=0
∫baf(x)dx=−∫abf(x)dx
∫ab[f(x)+g(x)]dx=∫abf(x)dx+∫abg(x)dx
∫ab[f(x)−g(x)]dx=∫abf(x)dx−∫abg(x)dx
∫abcf(x)dx=c∫abf(x) for constant c
∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx
∫aaf(x)dx=0∫baf(x)dx=−∫abf(x)dx∫ab[f(x)+g(x)]dx=∫abf(x)dx+∫abg(x)dx∫ab[f(x)−g(x)]dx=∫abf(x)dx−∫abg(x)dx∫abcf(x)dx=c∫abf(x)(c は定数)∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx
Exercises 60–63練習問題 60–63
In the following exercises, express the limits as integrals.
次の各問では、極限を積分として表せ。
Exercise 60問題 60
limn→∞∑i=1n(xi*)Δx over [1,3]
区間 [1,3] における limn→∞∑i=1n(xi*)Δx。
Exercise 61問題 61
limn→∞∑i=1n(5(xi*)2−3(xi*)3)Δx over [0,2]
区間 [0,2] における limn→∞∑i=1n(5(xi*)2−3(xi*)3)Δx。
Solution解き方
∫02(5x2−3x3)dx
∫02(5x2−3x3)dx
Exercise 62問題 62
limn→∞∑i=1nsin2(2πxi*)Δx over [0,1]
区間 [0,1] における limn→∞∑i=1nsin2(2πxi*)Δx。
Exercise 63問題 63
limn→∞∑i=1ncos2(2πxi*)Δx over [0,1]
区間 [0,1] における limn→∞∑i=1ncos2(2πxi*)Δx。
Solution解き方
∫01cos2(2πx)dx
∫01cos2(2πx)dx
Exercises 64–69練習問題 64–69
In the following exercises, given Ln or Rn as indicated, express their limits as n→∞ as definite integrals, identifying the correct intervals.
次の各問では、指定された Ln または Rn について、n→∞ のときの極限を定積分で表せ。積分区間を正しく定めること。
Exercise 64問題 64
Ln=1n∑i=1ni−1n
Ln=1n∑i=1ni−1n
Exercise 65問題 65
Rn=1n∑i=1nin
Rn=1n∑i=1nin
Solution解き方
∫01xdx
∫01xdx
Exercise 66問題 66
Ln=2n∑i=1n(1+2i−1n)
Ln=2n∑i=1n(1+2i−1n)
Exercise 67問題 67
Rn=3n∑i=1n(3+3in)
Rn=3n∑i=1n(3+3in)
Solution解き方
∫36xdx
∫36xdx
Exercise 68問題 68
Ln=2πn∑i=1n2πi−1ncos(2πi−1n)
Ln=2πn∑i=1n2πi−1ncos(2πi−1n)
Exercise 69問題 69
Rn=1n∑i=1n(1+in)log((1+in)2)
Rn=1n∑i=1n(1+in)log((1+in)2)
Solution解き方
∫12xlog(x2)dx
∫12xlog(x2)dx
Exercises 70–75練習問題 70–75
In the following exercises, evaluate the integrals of the functions graphed using the formulas for areas of triangles and circles, and subtracting the areas below the x-axis.
次の各問では、図示された関数の積分を、三角形と円の面積公式で求めよ。x 軸より下の面積は引くこと。
Exercise 70問題 70
x 軸上に並ぶ三つの上半円。中心と半径は順に(1,0)と1、(4,0)と2、(9,0)と3である。対応する関数は、区間[0,2]の√(2x−x²)、[2,6]の√(−12+8x−x²)、[6,12]の√(−72+18x−x²)。各半円と x 軸の間を塗っている。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Exercise 71問題 71
三つの着色された二等辺三角形。頂点は順に、(0,0)、(2,0)、(1,1)/(2,0)、(6,0)、(4,2)/(6,0)、(12,0)、(9,3)。対応する関数は、区間[0,2]の1−|x−1|、[2,6]の2−|x−4|、[6,12]の3−|x−9|である。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Solution解き方
1+2·2+3·3=14
1+2·2+3·3=14
Exercise 72問題 72
三つの着色領域からなるグラフ。区間[0,2]では、中心(1,0)、半径1の上半円√(2x−x²)。区間[2,6]では、頂点(2,0)、(6,0)、(4,−2)の三角形 |x−4|−2。区間[6,12]では、中心(9,0)、半径3の上半円√(−72+18x−x²)。

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Exercise 73問題 73
三つの着色三角形。区間[0,2]では関数1−|x−1|で、頂点は(0,0)、(2,0)、(1,1)。区間[2,6]では |x−4|−2で、頂点は(2,0)、(6,0)、(4,−2)。区間[6,12]では3−|x−9|で、頂点は(6,0)、(12,0)、(9,3)。

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Solution解き方
1−4+9=6
1−4+9=6
Exercise 74問題 74
三つの着色半円。区間[0,2]では中心(1,0)、半径1の上半円√(2x−x²)。区間[2,6]では中心(4,0)、半径2の下半円−√(−12+8x−x²)。区間[6,12]では中心(9,0)、半径3の上半円√(−72+18x−x²)。

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Exercise 75問題 75
三つの着色領域。区間[0,2]では1−|x−1|による三角形で、頂点は(0,0)、(2,0)、(1,1)。区間[2,6]では中心(4,0)、半径2の下半円−√(−12+8x−x²)。区間[6,12]では3−|x−9|による三角形で、頂点は(6,0)、(12,0)、(9,3)。

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Solution解き方
1−2π+9=10−2π
1−2π+9=10−2π
Exercises 76–83練習問題 76–83
In the following exercises, evaluate the integral using area formulas.
次の各問では、面積公式を使って積分を求めよ。
Exercise 76問題 76
∫03(3−x)dx
∫03(3−x)dx
Exercise 77問題 77
∫23(3−x)dx
∫23(3−x)dx
Solution解き方
The integral is the area of the triangle, 12
積分は三角形の面積に等しく、12 である。
Exercise 78問題 78
∫−33(3−|x|)dx
∫−33(3−|x|)dx
Exercise 79問題 79
∫06(3−|x−3|)dx
∫06(3−|x−3|)dx
Solution解き方
The integral is the area of the triangle, 9.
積分は三角形の面積に等しく、9である。
Exercise 80問題 80
∫−224−x2dx
∫−224−x2dx
Exercise 81問題 81
∫154−(x−3)2dx
∫154−(x−3)2dx
Solution解き方
The integral is the area 12πr2=2π.
積分は面積 12πr2=2π に等しい。
Exercise 82問題 82
∫01236−(x−6)2dx
∫01236−(x−6)2dx
Exercise 83問題 83
∫−23(3−|x|)dx
∫−23(3−|x|)dx
Solution解き方
The integral is the area of the “big” triangle less the “missing” triangle, 9−12.
大きい三角形の面積から、欠けている三角形の面積を引くので、積分は 9−12 となる。
Exercises 84–87練習問題 84–87
In the following exercises, use averages of values at the left (L) and right (R) endpoints to compute the integrals of the piecewise linear functions with graphs that pass through the given list of points over the indicated intervals.
次の各問では、指定された点を順に結んだ区分的一次関数を、指定区間で積分せよ。各区間の左端(L)と右端(R)の値の平均を使うこと。
Exercise 84問題 84
{(0,0),(2,1),(4,3),(5,0),(6,0),(8,3)} over [0,8]
区間 [0,8] における {(0,0),(2,1),(4,3),(5,0),(6,0),(8,3)}。
Exercise 85問題 85
{(0,2),(1,0),(3,5),(5,5),(6,2),(8,0)} over [0,8]
区間 [0,8] における {(0,2),(1,0),(3,5),(5,5),(6,2),(8,0)}。
Solution解き方
L=2+0+10+5+4=21,R=0+10+10+2+0=22,L+R2=21.5
L=2+0+10+5+4=21,R=0+10+10+2+0=22,L+R2=21.5
Exercise 86問題 86
{(−4,−4),(−2,0),(0,−2),(3,3),(4,3)} over [−4,4]
区間 [−4,4] における {(−4,−4),(−2,0),(0,−2),(3,3),(4,3)}。
Exercise 87問題 87
{(−4,0),(−2,2),(0,0),(1,2),(3,2),(4,0)} over [−4,4]
区間 [−4,4] における {(−4,0),(−2,2),(0,0),(1,2),(3,2),(4,0)}。
Solution解き方
L=0+4+0+4+2=10,R=4+0+2+4+0=10,L+R2=10
L=0+4+0+4+2=10,R=4+0+2+4+0=10,L+R2=10
Exercises 88–93練習問題 88–93
Suppose that ∫04f(x)dx=5 and ∫02f(x)dx=−3, and ∫04g(x)dx=−1 and ∫02g(x)dx=2. In the following exercises, compute the integrals.
∫04f(x)dx=5、∫02f(x)dx=−3、∫04g(x)dx=−1、∫02g(x)dx=2 とする。次の各問の積分を計算せよ。
Exercise 88問題 88
∫04(f(x)+g(x))dx
∫04(f(x)+g(x))dx
Exercise 89問題 89
∫24(f(x)+g(x))dx
∫24(f(x)+g(x))dx
Solution解き方
∫24f(x)dx+∫24g(x)dx=8−3=5
∫24f(x)dx+∫24g(x)dx=8−3=5
Exercise 90問題 90
∫02(f(x)−g(x))dx
∫02(f(x)−g(x))dx
Exercise 91問題 91
∫24(f(x)−g(x))dx
∫24(f(x)−g(x))dx
Solution解き方
∫24f(x)dx−∫24g(x)dx=8+3=11
∫24f(x)dx−∫24g(x)dx=8+3=11
Exercise 92問題 92
∫02(3f(x)−4g(x))dx
∫02(3f(x)−4g(x))dx
Exercise 93問題 93
∫24(4f(x)−3g(x))dx
∫24(4f(x)−3g(x))dx
Solution解き方
4∫24f(x)dx−3∫24g(x)dx=32+9=41
4∫24f(x)dx−3∫24g(x)dx=32+9=41
Exercises 94–95練習問題 94–95
In the following exercises, use the identity ∫−AAf(x)dx=∫−A0f(x)dx+∫0Af(x)dx to compute the integrals.
次の各問では、恒等式 ∫−AAf(x)dx=∫−A0f(x)dx+∫0Af(x)dx を使って積分を計算せよ。
Exercise 94問題 94
∫−ππsint1+t2dt (Hint:sin(−t)=−sin(t))
∫−ππsint1+t2dt (Hint:sin(−t)=−sin(t))
Exercise 95問題 95
∫−ππt1+costdt
∫−ππt1+costdt
Solution解き方
The integrand is odd; the integral is zero.
被積分関数は奇関数なので、積分は0である。
Exercises 96–97練習問題 96–97
In the following exercises, find the net signed area between f(x) and the x-axis.
次の各問では、f(x) と x 軸の間の符号付き面積を求めよ。
Exercise 96問題 96
∫13(2−x)dx (Hint: Look at the graph of f.)
∫13(2−x)dx(ヒント:f のグラフを見よ。)
Exercise 97問題 97
∫24(x−3)3dx (Hint: Look at the graph of f.)
∫24(x−3)3dx(ヒント:f のグラフを見よ。)
Solution解き方
The integrand is antisymmetric with respect to x=3. The integral is zero.
英語のヒント
被積分関数は x=3 を挟んで符号が反転する対称性を持つので、積分は0である。
Exercises 98–103練習問題 98–103
In the following exercises, given that ∫01xdx=12,∫01x2dx=13, and ∫01x3dx=14, compute the integrals.
次の各問では、∫01xdx=12,∫01x2dx=13 および ∫01x3dx=14 を使って、積分を計算せよ。
Exercise 98問題 98
∫01(1+x+x2+x3)dx
∫01(1+x+x2+x3)dx
Exercise 99問題 99
∫01(1−x+x2−x3)dx
∫01(1−x+x2−x3)dx
Solution解き方
1−12+13−14=712
1−12+13−14=712
Exercise 100問題 100
∫01(1−x)2dx
∫01(1−x)2dx
Exercise 101問題 101
∫01(1−2x)3dx
∫01(1−2x)3dx
Solution解き方
∫01(1−6x+12x2−8x3)dx=(x-3x2+4x3-2x4)=(1-3+4-2)(0-0+0-0)=0
∫01(1−6x+12x2−8x3)dx=(x-3x2+4x3-2x4)=(1-3+4-2)(0-0+0-0)=0
Exercise 102問題 102
∫01(6x−43x2)dx
∫01(6x−43x2)dx
Exercise 103問題 103
∫01(7−5x3)dx
∫01(7−5x3)dx
Solution解き方
7−54=234
7−54=234
Exercises 104–109練習問題 104–109
In the following exercises, use the comparison theorem.
次の各問では、積分の比較定理を使え。
Exercise 104問題 104
Show that ∫03(x2−6x+9)dx≥0.
∫03(x2−6x+9)dx≥0 を示せ。
Exercise 105問題 105
Show that ∫−23(x−3)(x+2)dx≤0.
∫−23(x−3)(x+2)dx≤0 を示せ。
Solution解き方
The integrand is negative over [−2,3].
被積分関数は区間 [−2,3] 上で負になる。
Exercise 106問題 106
Show that ∫011+x3dx≤∫011+x2dx.
∫011+x3dx≤∫011+x2dx を示せ。
Exercise 107問題 107
Show that ∫121+xdx≤∫121+x2dx.
∫121+xdx≤∫121+x2dx を示せ。
Solution解き方
x≤x2 over [1,2], so 1+x≤1+x2 over [1,2].
区間 [1,2] では x≤x2 なので、区間 [1,2] では 1+x≤1+x2 となる。
Exercise 108問題 108
Show that ∫0π/2sintdt≥π4. (Hint:sint≥2tπ over [0,π2])
∫0π/2sintdt≥π4 を示せ。(Hint:sint≥2tπ が区間 [0,π2]) で成り立つことを使う。
Exercise 109問題 109
Show that ∫−π/4π/4costdt≥π2/4.
∫−π/4π/4costdt≥π2/4 を示せ。
Solution解き方
cos(t)≥22. Multiply by the length of the interval to get the inequality.
cos(t)≥22 である。区間の長さを掛ければ、求める不等式が得られる。
Exercises 110–115練習問題 110–115
In the following exercises, find the average value fave of f between a and b, and find a point c, where f(c)=fave.
次の各問では、a から b までの f の平均値 fave を求め、f(c)=fave を満たす点 c も求めよ。
Exercise 110問題 110
f(x)=x2,a=−1,b=1
f(x)=x2,a=−1,b=1
Exercise 111問題 111
f(x)=x5,a=−1,b=1
f(x)=x5,a=−1,b=1
Solution解き方
fave=0;c=0
fave=0;c=0
Exercise 112問題 112
f(x)=4−x2,a=0,b=2
f(x)=4−x2,a=0,b=2
Exercise 113問題 113
f(x)=(3−|x|),a=−3,b=3
f(x)=(3−|x|),a=−3,b=3
Solution解き方
32 when c=±32
平均値は 32 であり、c=±32 のときにとられる。
Exercise 114問題 114
f(x)=sinx,a=0,b=2π
f(x)=sinx,a=0,b=2π
Exercise 115問題 115
f(x)=cosx,a=0,b=2π
f(x)=cosx,a=0,b=2π
Solution解き方
fave=0;c=π2,3π2
fave=0;c=π2,3π2
Exercises 116–119練習問題 116–119
In the following exercises, approximate the average value using Riemann sums L100 and R100. How does your answer compare with the exact given answer?
次の各問では、リーマン和 L100 と R100 を使って平均値を近似せよ。与えられた正確な値と比べると、どうなるか。
Exercise 116問題 116
[T] y=ln(x) over the interval [1,4]; the exact solution is ln(256)3−1.
[T] 区間 [1,4] で y=ln(x) を求めよ。厳密な解は ln(256)3−1。
Exercise 117問題 117
[T] y=ex/2 over the interval [0,1]; the exact solution is 2(e−1).
[T] 区間 [0,1] で y=ex/2 を求めよ。厳密な解は 2(e−1)。
Solution解き方
L100=1.294,R100=1.301; the exact average is between these values.
L100=1.294,R100=1.301 であり、正確な平均値はこの二つの値の間にある。
Exercise 118問題 118
[T] y=tanx over the interval [0,π4]; the exact solution is 2ln(2)π.
[T] 区間 [0,π4] で y=tanx を求めよ。厳密な解は 2ln(2)π。
Exercise 119問題 119
[T] y=x+14−x2 over the interval [−1,1]; the exact solution is π6.
[T] 区間 [−1,1] で y=x+14−x2 を求めよ。厳密な解は π6。
Solution解き方
L100×(12)=0.5178,R100×(12)=0.5294
L100×(12)=0.5178,R100×(12)=0.5294
Exercises 120–143練習問題 120–143
In the following exercises, compute the average value using the left Riemann sums LN for N=1,10,100. How does the accuracy compare with the given exact value?
次の各問では、N=1,10,100 について左端リーマン和 LN を使い、平均値を計算せよ。与えられた正確な値と比べて、精度はどうか。
Exercise 120問題 120
[T] y=x2−4 over the interval [0,2]; the exact solution is −83.
[T] 区間 [0,2] で y=x2−4 を求めよ。厳密な解は −83。
Exercise 121問題 121
[T] y=xex2 over the interval [0,2]; the exact solution is 14(e4−1).
[T] 区間 [0,2] で y=xex2 を求めよ。厳密な解は 14(e4−1)。
Solution解き方
L1=0,L10×(12)=8.743493,L100×(12)=12.861728. The exact answer ≈26.799, so L100 is not accurate.
L1=0,L10×(12)=8.743493,L100×(12)=12.861728 である。正確な値は ≈26.799 なので、L100 による近似は正確とはいえない。
Exercise 122問題 122
[T] y=(12)x over the interval [0,4]; the exact solution is 1564ln(2).
[T] 区間 [0,4] で y=(12)x を求めよ。厳密な解は 1564ln(2)。
Exercise 123問題 123
[T] y=xsin(x2) over the interval [−π,0]; the exact solution is cos(π2)−12π.
[T] 区間 [−π,0] で y=xsin(x2) を求めよ。厳密な解は cos(π2)−12π。
Solution解き方
L1×(1π)=1.352,L10×(1π)=−0.1837,L100×(1π)=−0.2956. The exact answer ≈−0.303, so L100 is not accurate to first decimal.
L1×(1π)=1.352,L10×(1π)=−0.1837,L100×(1π)=−0.2956 である。正確な値は ≈−0.303 なので、L100 による近似は小数第1位まで一致しない。
Exercise 124問題 124
Suppose that A=∫02πsin2tdt and B=∫02πcos2tdt. Show that A+B=2π and A=B.
A=∫02πsin2tdt および B=∫02πcos2tdt とする。A+B=2π と A=B. を示せ。
Exercise 125問題 125
Suppose that A=∫−π/4π/4sec2tdt=2 and B=∫−π/4π/4tan2tdt. Show that A−B=π2.
A=∫−π/4π/4sec2tdt=2 および B=∫−π/4π/4tan2tdt とする。A−B=π2 を示せ。
Solution解き方
Use tan2θ+1=sec2θ. Then, A−B=∫−π/4π/41dx=π2.
tan2θ+1=sec2θ を使う。すると、A−B=∫−π/4π/41dx=π2 となる。
Exercise 126問題 126
Show that the average value of sin2t over [0,2π] is equal to 1/2 Without further calculation, determine whether the average value of sin2t over [0,π] is also equal to 1/2.
区間 [0,2π] 上での sin2t の平均値が1/2に等しいことを示せ。追加の計算をせずに、区間 [0,π] 上での sin2t の平均値も1/2に等しいかどうか判断せよ。
Exercise 127問題 127
Show that the average value of cos2t over [0,2π] is equal to 1/2. Without further calculation, determine whether the average value of cos2(t) over [0,π] is also equal to 1/2.
区間 [0,2π] 上での cos2t の平均値が 1/2 に等しいことを示せ。追加の計算をせずに、区間 [0,π] 上での cos2(t) の平均値も 1/2 に等しいかどうか判断せよ。
Solution解き方
∫02πcos2tdt=π, so divide by the length 2π of the interval. cos2t has period π, so yes, it is true.
∫02πcos2tdt=π なので、区間の長さ2πで割ればよい。cos2t の周期は π なので、後半の問いも成り立つ。
Exercise 128問題 128
Explain why the graphs of a quadratic function (parabola) p(x) and a linear function ℓ(x) can intersect in at most two points. Suppose that p(a)=ℓ(a) and p(b)=ℓ(b), and that ∫abp(t)dt>∫abℓ(t)dt. Explain why ∫cdp(t)>∫cdℓ(t)dt whenever a≤c<d≤b.
二次関数(放物線)p(x) と一次関数 ℓ(x) のグラフが、最大でも2点でしか交わらない理由を説明せよ。p(a)=ℓ(a)、p(b)=ℓ(b)、∫abp(t)dt>∫abℓ(t)dt が成り立つとする。a≤c<d≤b のとき、常に ∫cdp(t)>∫cdℓ(t)dt となる理由を説明せよ。
Exercise 129問題 129
Suppose that parabola p(x)=ax2+bx+c opens downward (a<0) and has a vertex of y=c−b24a>0. For which interval [A,B] is ∫AB(ax2+bx+c)dx as large as possible?
放物線 p(x)=ax2+bx+c は下向きに開き (a<0)、頂点の高さは y=c−b24a>0 であるとする。∫AB(ax2+bx+c)dx が最大となる区間 [A,B] はどこか。
Solution解き方
The integral is maximized when one uses the largest interval on which p is nonnegative. Thus, A=−b+b2−4ac2a and B=−b−b2−4ac2a.
p が非負である最大の区間を選ぶと、積分は最大になる。したがって、A=−b+b2−4ac2a、B=−b−b2−4ac2a である。
Exercise 130問題 130
Suppose [a,b] can be subdivided into subintervals a=a0<a1<a2<⋯<aN=b such that either f≥0 over [ai−1,ai] or f≤0 over [ai−1,ai]. Set Ai=∫ai−1aif(t)dt.
区間 [a,b] を a=a0<a1<a2<⋯<aN=b によって小区間に分け、各小区間では「[ai−1,ai] 上で f≥0」または「[ai−1,ai] 上で f≤0」のいずれかが成り立つとする。Ai=∫ai−1aif(t)dt とおく。
  1. Explain why ∫abf(t)dt=A1+A2+⋯+AN.
    ∫abf(t)dt=A1+A2+⋯+AN が成り立つ理由を説明せよ。
  2. Then, explain why |∫abf(t)dt|≤∫ab|f(t)|dt.
    次に、|∫abf(t)dt|≤∫ab|f(t)|dt が成り立つ理由を説明せよ。
Exercise 131問題 131
Suppose f and g are continuous functions such that ∫cdf(t)dt≤∫cdg(t)dt for every subinterval [c,d] of [a,b]. Explain why f(x)≤g(x) for all values of x.
連続関数 f と g は、区間 [a,b] に含まれる任意の小区間 [c,d] で ∫cdf(t)dt≤∫cdg(t)dt を満たすとする。すべての x について f(x)≤g(x) が成り立つ理由を説明せよ。
Solution解き方
If f(t0)>g(t0) for some t0∈[a,b], then since f−g is continuous, there is an interval containing t0 such that f(t)>g(t) over the interval [c,d], and then ∫cdf(t)dt>∫cdg(t)dt over this interval.
ある t0∈[a,b] で f(t0)>g(t0) が成り立つと仮定する。f−g は連続なので、t0 を含むある区間 [c,d] で f(t)>g(t) が成り立つ。すると、この区間では ∫cdf(t)dt>∫cdg(t)dt となってしまい、仮定に反する。
Exercise 132問題 132
Suppose the average value of f over [a,b] is 1 and the average value of f over [b,c] is 1 where a<c<b. Show that the average value of f over [a,c] is also 1.
区間 [a,b] 上での f の平均値が1、区間 [b,c] 上での平均値も1であり、a<c<b とする。区間 [a,c] 上での f の平均値も1であることを示せ。
Exercise 133問題 133
Suppose that [a,b] can be partitioned. taking a=a0<a1<⋯<aN=b such that the average value of f over each subinterval [ai−1,ai] is equal to 1 for each i=1,…,N. Explain why the average value of f over [a,b] is also equal to 1.
区間 [a,b] を a=a0<a1<⋯<aN=b によって分割し、それぞれの i=1,…,N について、小区間 [ai−1,ai] 上での f の平均値が1であるとする。区間 [a,b] 全体での平均値も1になる理由を説明せよ。
Solution解き方
The integral of f over an interval is the same as the integral of the average of f over that interval. Thus, ∫abf(t)dt=∫a0a1f(t)dt+∫a1a2f(t)dt+⋯+∫aN−1aNf(t)dt=∫a0a11dt+∫a1a21dt+⋯+∫aN−1aN1dt=(a1−a0)+(a2−a1)+⋯+(aN−aN−1)=aN−a0=b−a. Dividing through by b−a gives the desired identity.
ある区間での f の積分は、その区間の平均値を定数関数として積分したものに等しい。したがって、∫abf(t)dt=∫a0a1f(t)dt+∫a1a2f(t)dt+⋯+∫aN−1aNf(t)dt=∫a0a11dt+∫a1a21dt+⋯+∫aN−1aN1dt=(a1−a0)+(a2−a1)+⋯+(aN−aN−1)=aN−a0=b−a. となる。全体を b−a で割れば、求める恒等式が得られる。
Exercise 134問題 134
Suppose that for each i such that 1≤i≤N one has ∫i−1if(t)dt=i. Show that ∫0Nf(t)dt=N(N+1)2.
1≤i≤N を満たす各 i に対して、∫i−1if(t)dt=i が成り立つとする。∫0Nf(t)dt=N(N+1)2 を示せ。
Exercise 135問題 135
Suppose that for each i such that 1≤i≤N one has ∫i−1if(t)dt=i2. Show that ∫0Nf(t)dt=N(N+1)(2N+1)6.
1≤i≤N を満たす各 i に対して、∫i−1if(t)dt=i2 が成り立つとする。∫0Nf(t)dt=N(N+1)(2N+1)6 を示せ。
Solution解き方
∫0Nf(t)dt=∑i=1N∫i−1if(t)dt=∑i=1Ni2=N(N+1)(2N+1)6
∫0Nf(t)dt=∑i=1N∫i−1if(t)dt=∑i=1Ni2=N(N+1)(2N+1)6
Exercise 136問題 136
[T] Compute the left and right Riemann sums L10 and R10 and their average L10+R102 for f(t)=t2 over [0,1]. Given that ∫01t2dt=0.33–, to how many decimal places is L10+R102 accurate?
[T] 区間 [0,1] 上の f(t)=t2 について、左端リーマン和 L10、右端リーマン和 R10、その平均 L10+R102 を計算せよ。∫01t2dt=0.33– がわかっているとき、L10+R102 は小数第何位まで正確か。
Exercise 137問題 137
[T] Compute the left and right Riemann sums, L10 and R10, and their average L10+R102 for f(t)=(4−t2) over [1,2]. Given that ∫12(4−t2)dt=1.66–, to how many decimal places is L10+R102 accurate?
[T] 区間 [1,2] 上の f(t)=(4−t2) について、左端リーマン和 L10、右端リーマン和 R10、その平均 L10+R102 を計算せよ。∫12(4−t2)dt=1.66– がわかっているとき、L10+R102 は小数第何位まで正確か。
Solution解き方
L10=1.815,R10=1.515,L10+R102=1.665, so the estimate is accurate to two decimal places.
L10=1.815,R10=1.515,L10+R102=1.665 なので、小数第2位まで正確である。
Exercise 138問題 138
If ∫151+t4dt=41.7133..., what is ∫151+u4du?
∫151+t4dt=41.7133... のとき、∫151+u4du の値はいくらか。
Exercise 139問題 139
Estimate ∫01tdt using the left and right endpoint sums, each with a single rectangle. How does the average of these left and right endpoint sums compare with the actual value ∫01tdt?
左端和と右端和を、それぞれ長方形1個で作り、∫01tdt を見積もれ。その二つの和の平均は、実際の値 ∫01tdt と比べてどうなるか。
Solution解き方
The average is 1/2, which is equal to the integral in this case.
平均は 1/2 となり、この場合は積分の値に一致する。
Exercise 140問題 140
Estimate ∫01tdt by comparison with the area of a single rectangle with height equal to the value of t at the midpoint t=12. How does this midpoint estimate compare with the actual value ∫01tdt?
中点 t=12 での t の値を高さとする長方形1個の面積で、∫01tdt を見積もれ。この中点近似は、実際の値 ∫01tdt と比べてどうなるか。
Exercise 141問題 141
From the graph of sin(2πx) shown:
図に示した sin(2πx) のグラフを用いて答えよ。
  1. Explain why ∫01sin(2πt)dt=0.
    ∫01sin(2πt)dt=0 が成り立つ理由を説明せよ。
  2. Explain why, in general, ∫aa+1sin(2πt)dt=0 for any value of a.
    一般に、任意の a について ∫aa+1sin(2πt)dt=0 が成り立つ理由を説明せよ。
    区間[0,2]の f(x)=sin(2πx)のグラフ。[0.7,1]と[1.5,1.7]では曲線より上かつ x 軸より下を塗り、[1,1.5]では曲線より下かつ x 軸より上を塗っている。[0,1]のグラフは、中点(1/2,0)のまわりに180度回すと重なる。

    OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Solution解き方
a. The graph is antisymmetric with respect to t=12 over [0,1], so the average value is zero. b. For any value of a, the graph between [a,a+1] is a shift of the graph over [0,1], so the net areas above and below the axis do not change and the average remains zero.
a. 区間 [0,1] のグラフは、t=12 を挟む点で関数値の符号が反転するため、平均値は0になる。b. 任意の a について、区間 [a,a+1] の1周期分にも、区間 [0,1] と同じ正負の面積が含まれる。軸より上と下の符号付き面積の和は変わらず、平均値は0のままである。
Exercise 142問題 142
If f is 1-periodic (f(t+1)=f(t)), odd, and integrable over [0,1], is it always true that ∫01f(t)dt=0?
f は周期1の関数 (f(t+1)=f(t)) で、奇関数でもあり、区間 [0,1] 上で積分可能であるとする。このとき、必ず ∫01f(t)dt=0 が成り立つか。
Exercise 143問題 143
If f is 1-periodic and ∫01f(t)dt=A, is it necessarily true that ∫a1+af(t)dt=A for all A?
f は周期1の関数で ∫01f(t)dt=A とする。このとき、どの a についても必ず ∫a1+af(t)dt=A が成り立つか。
Solution解き方
Yes, the integral over any interval of length 1 is the same.
成り立つ。長さ1のどの区間で積分しても、値は同じになる。
average value of a function
関数の平均値
(or fave) the average value of a function on an interval can be found by calculating the definite integral of the function and dividing that value by the length of the interval
fave とも書く。区間上で関数を定積分し、その値を区間の長さで割ると求められる。
definite integral
定積分
a primary operation of calculus; the area between the curve and the x-axis over a given interval is a definite integral
微積分の基本的な演算の一つ。指定された区間で、曲線と x 軸の間の符号付き面積を与える。
integrable function
可積分関数
a function is integrable if the limit defining the integral exists; in other words, if the limit of the Riemann sums as n goes to infinity exists
積分を定義する極限、つまり n を無限大に近づけたときのリーマン和の極限が存在する関数。
integrand
被積分関数
the function to the right of the integration symbol; the integrand includes the function being integrated
積分記号の右側に書かれる、積分の対象となる関数。
limits of integration
積分区間の端点
these values appear near the top and bottom of the integral sign and define the interval over which the function should be integrated
積分記号の上側と下側に書かれ、どの区間で積分するかを定める値。
net signed area
符号付き面積
the area between a function and the x-axis such that the area below the x-axis is subtracted from the area above the x-axis; the result is the same as the definite integral of the function
関数の曲線と x 軸に挟まれた領域について、軸より上の面積から軸より下の面積を引いた値。関数の定積分と一致する。
total area
総面積
total area between a function and the x-axis is calculated by adding the area above the x-axis and the area below the x-axis; the result is the same as the definite integral of the absolute value of the function
関数の曲線と x 軸に挟まれた領域について、軸より上の面積と軸より下の面積を足した値。関数の絶対値の定積分と一致する。
variable of integration
積分変数
indicates which variable you are integrating with respect to; if it is x, then the function in the integrand is followed by dx
どの変数について積分するかを示すもの。積分変数が x ならば、被積分関数の後ろに dx と書く。