第5章積分
5.2 The Definite Integral5.2 定積分
Learning Objectives学習目標
- State the definition of the definite integral.定積分の定義を述べる。
- Explain the terms integrand, limits of integration, and variable of integration.被積分関数、積分区間の端点、積分変数という用語を説明する。
- Explain when a function is integrable.関数がどのような場合に積分可能か説明する。
- Describe the relationship between the definite integral and net area.定積分と符号付き面積の関係を説明する。
- Use geometry and the properties of definite integrals to evaluate them.図形の性質と定積分の性質を使って、定積分を求める。
- Calculate the average value of a function.関数の平均値を計算する。
In the preceding section we defined the area under a curve in terms of Riemann sums:
前節では、曲線の下の面積をリーマン和を使って次のように定義した。
However, this definition came with restrictions. We required to be continuous and nonnegative. Unfortunately, real-world problems don’t always meet these restrictions. In this section, we look at how to apply the concept of the area under the curve to a broader set of functions through the use of the definite integral.
英語のヒント
ただし、この定義には制約があった。 が連続かつ非負であることを要求していたのである。実際の問題は、いつもこの条件を満たすとは限らない。この節では、定積分を使うことによって、曲線の下の面積という考えを、より広い範囲の関数へ適用する方法を学ぶ。
Definition and Notation定義と記法
The definite integral generalizes the concept of the area under a curve. We lift the requirements that be continuous and nonnegative, and define the definite integral as follows.
英語のヒント
定積分は、曲線の下の面積という考えを一般化するものである。 が連続かつ非負でなければならないという条件を外し、定積分を次のように定義する。
The integral symbol in the previous definition should look familiar. We have seen similar notation in the chapter on Applications of Derivatives, where we used the indefinite integral symbol (without the a and b above and below) to represent an antiderivative. Although the notation for indefinite integrals may look similar to the notation for a definite integral, they are not the same. A definite integral is a number. An indefinite integral is a family of functions. Later in this chapter we examine how these concepts are related. However, close attention should always be paid to notation so we know whether we’re working with a definite integral or an indefinite integral.
英語のヒント
この定義に出てくる積分記号には、見覚えがあるだろう。「微分の応用」の章で、原始関数を表すために、上下に a と b の付いていない不定積分の記号を使った。不定積分と定積分は記号が似ているが、同じものではない。定積分は一つの数であり、不定積分は関数の族である。この章の後半で、両者がどう結び付くかを調べる。定積分を扱っているのか、不定積分を扱っているのかを見分けるため、常に記号に注意しておこう。
Integral notation goes back to the late seventeenth century and is one of the contributions of Gottfried Wilhelm Leibniz, who is often considered to be the codiscoverer of calculus, along with Isaac Newton. The integration symbol ∫ is an elongated S, suggesting sigma or summation. On a definite integral, above and below the summation symbol are the boundaries of the interval, The numbers a and b are x-values and are called the limits of integration; specifically, a is the lower limit and b is the upper limit. To clarify, we are using the word limit in two different ways in the context of the definite integral. First, we talk about the limit of a sum as Second, the boundaries of the region are called the limits of integration.
英語のヒント
積分記法は17世紀後半にさかのぼり、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツの功績の一つである。ライプニッツはアイザック・ニュートンと並んで、微積分を発見した人物とされることが多い。積分記号 ∫ は S を縦に伸ばした形で、シグマ、すなわち総和を連想させる。定積分では、記号の上下に区間 の両端の値を書く。この a と b は x の値であり、積分区間の端点(limits of integration)という。特に a が下端、b が上端である。ここでは英語の limit を二つの意味で使っている。第一は、 としたときの和の「極限」。第二は、積分する区間の「端点」である。
We call the function the integrand, and the dx indicates that is a function with respect to x, called the variable of integration. Note that, like the index in a sum, the variable of integration is a dummy variable, and has no impact on the computation of the integral. We could use any variable we like as the variable of integration:
英語のヒント
関数 を被積分関数という。dx は、 を x に関して積分することを表し、この x を積分変数という。和の添字と同様に、積分変数は名前そのものに意味のないダミー変数であり、変数名は積分の計算結果に影響しない。積分変数には、好きな文字を使える。
Previously, we discussed the fact that if is continuous on then the limit exists and is unique. This leads to the following theorem, which we state without proof.
すでに、 が区間 上で連続ならば、極限 が存在し、しかも一意であることを述べた。ここから次の定理が得られる。証明は省略する。
Functions that are not continuous on may still be integrable, depending on the nature of the discontinuities. For example, functions continuous on a closed interval, apart from a finite number of jump discontinuities, are integrable.
英語のヒント
区間 上で連続でない関数でも、不連続の性質によっては積分可能である。例えば、有限個の跳躍不連続点を除いて閉区間上で連続な関数は、積分可能である。
It is also worth noting here that we have retained the use of a regular partition in the Riemann sums. This restriction is not strictly necessary. Any partition can be used to form a Riemann sum. However, if a nonregular partition is used to define the definite integral, it is not sufficient to take the limit as the number of subintervals goes to infinity. Instead, we must take the limit as the width of the largest subinterval goes to zero. This introduces a little more complex notation in our limits and makes the calculations more difficult without really gaining much additional insight, so we stick with regular partitions for the Riemann sums.
英語のヒント
ここでも、リーマン和には等分割を使っている。ただし、等分割でなければならないわけではない。どのような分割でもリーマン和は作れる。等分割でない分割を使って定積分を定義する場合、小区間の個数を無限に増やすだけでは不十分である。最も幅の広い小区間の幅が0に近づく、という極限をとらなければならない。この扱いは極限の記法や計算を複雑にするが、ここで得られる理解はそれほど増えない。そのため、本書のリーマン和では等分割を使い続ける。
Example 5.7例題 5.7
Evaluating an Integral Using the Definition定義を使って積分を求める
Use the definition of the definite integral to evaluate Use a right-endpoint approximation to generate the Riemann sum.
定積分の定義を使って を求めよ。リーマン和を作る際は右端近似を用いよ。
Solution解き方
We first want to set up a Riemann sum. Based on the limits of integration, we have and For let be a regular partition of Then
まずリーマン和を作る。積分区間の端点から、、 である。 に対し、 を区間 の等分割とする。すると、
Since we are using a right-endpoint approximation to generate Riemann sums, for each i, we need to calculate the function value at the right endpoint of the interval The right endpoint of the interval is and since P is a regular partition,
右端近似でリーマン和を作るので、各 i について、区間 の右端での関数値を計算する必要がある。右端は であり、P は等分割だから、
Thus, the function value at the right endpoint of the interval is
したがって、区間の右端での関数値は次のようになる。
Then the Riemann sum takes the form
よって、リーマン和は次の形になる。
Using the summation formula for we have
の和の公式を使うと、
Now, to calculate the definite integral, we need to take the limit as We get
定積分を計算するには、ここで の極限をとる。すると、