プリンキピア

第6章積分の応用

6.4 Arc Length of a Curve and Surface Area6.4 曲線の長さと曲面の面積

Learning Objectives学習目標

  • Determine the length of a curve, y=f(x), between two points.
    二点間の曲線 y=f(x) の長さを求める。
  • Determine the length of a curve, x=g(y), between two points.
    二点間の曲線 x=g(y) の長さを求める。
  • Find the surface area of a solid of revolution.
    回転体の表面積を求める。
In this section, we use definite integrals to find the arc length of a curve. We can think of arc length as the distance you would travel if you were walking along the path of the curve. Many real-world applications involve arc length. If a rocket is launched along a parabolic path, we might want to know how far the rocket travels. Or, if a curve on a map represents a road, we might want to know how far we have to drive to reach our destination.
英語のヒント
この節では、定積分を使って曲線の長さ、すなわち弧長を求める。弧長は、その曲線に沿って歩いたときの移動距離と考えればよい。弧長を求める問題は実際にも多い。たとえば、放物線状の経路を飛ぶロケットがどれだけの距離を進むか、地図上の曲線が表す道路を目的地まで何キロ走るか、といった問題である。
We begin by calculating the arc length of curves defined as functions of x, then we examine the same process for curves defined as functions of y. (The process is identical, with the roles of x and y reversed.) The techniques we use to find arc length can be extended to find the surface area of a surface of revolution, and we close the section with an examination of this concept.
まずxの関数で表された曲線の弧長を求め、次にyの関数について同じ手順を考える。両者はxとyの役割を入れ替えただけで、手順は同じである。弧長の求め方を発展させると、回転曲面の面積も求められる。この節の後半では、それを扱う。

Arc Length of the Curve y = f(x)曲線 y=f(x) の弧長

In previous applications of integration, we required the function f(x) to be integrable, or at most continuous. However, for calculating arc length we have a more stringent requirement for f(x). Here, we require f(x) to be differentiable, and furthermore we require its derivative, f′(x), to be continuous. Functions like this, which have continuous derivatives, are called smooth. (This property comes up again in later chapters.)
英語のヒント
これまでの積分の応用では、関数f(x)に必要だったのは積分可能性、あるいは強くても連続性だった。しかし、ここで弧長の公式を導くには、f(x)にさらに強い条件を課す。f(x)が微分可能であり、その導関数f′(x)も連続であるとするのである。ここでは、このように導関数が連続な関数を「滑らか」と呼ぶ。この性質は後の章でも再び登場する。
Let f(x) be a smooth function defined over [a,b]. We want to calculate the length of the curve from the point (a,f(a)) to the point (b,f(b)). We start by using line segments to approximate the length of the curve. For i=0,1,2,…,n, let P={xi} be a regular partition of [a,b]. Then, for i=1,2,…,n, construct a line segment from the point (xi−1,f(xi−1)) to the point (xi,f(xi)). Although it might seem logical to use either horizontal or vertical line segments, we want our line segments to approximate the curve as closely as possible. Figure 6.37 depicts this construct for n=5.
英語のヒント
区間[a,b]で定義された滑らかな関数f(x)を考える。点(a,f(a))から点(b,f(b))までの曲線の長さを求めたい。まず、曲線を線分で近似する。i=0,1,2,…,nとして、P={xi}を区間[a,b]の等分割とする。i=1,2,…,nについて、点(xi−1,f(xi−1))から点(xi,f(xi))までの線分を引く。水平や鉛直の線分を使うことも考えられるが、ここでは曲線にできるだけ近い線分を使いたい。n=5の場合を図6.37に示す。
曲線上の6点を5本の線分で結んだ折れ線。各点の x 座標は a=x₀、x₁、x₂、x₃、x₄、x₅=b である。

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

Figure 6.37図 6.37
We can approximate the length of a curve by adding line segments.
線分の長さを足し合わせて、曲線の長さを近似できる。
To help us find the length of each line segment, we look at the change in vertical distance as well as the change in horizontal distance over each interval. Because we have used a regular partition, the change in horizontal distance over each interval is given by Δx. The change in vertical distance varies from interval to interval, though, so we use Δyi=f(xi)−f(xi−1) to represent the change in vertical distance over the interval [xi−1,xi], as shown in Figure 6.38. Note that some (or all) Δyi may be negative.
英語のヒント
各線分の長さを求めるために、区間ごとの水平方向・鉛直方向の変化量を見る。等分割なので、水平方向の変化量はどの区間でもΔxである。一方、鉛直方向の変化量は区間ごとに異なる。そこで、図6.38のように区間[xi−1,xi]の鉛直方向の変化量をΔyi=f(xi)−f(xi−1)と書く。Δyiの一部、あるいは全部が負になることもある。
曲線上の点 (xᵢ₋₁,f(xᵢ₋₁)) と (xᵢ,f(xᵢ)) を結ぶ線分を斜辺とする直角三角形。水平の辺の長さは Δx、鉛直方向の変化量は Δyᵢ である。

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

Figure 6.38図 6.38
A representative line segment approximates the curve over the interval [xi−1,xi].
区間[xi−1,xi]の曲線を近似する、代表的な線分。
By the Pythagorean theorem, the length of the line segment is (Δx)2+(Δyi)2. We can also write this as Δx1+((Δyi)/(Δx))2. Now, by the Mean Value Theorem, there is a point xi*∈[xi−1,xi] such that f′(xi*)=(Δyi)/(Δx). Then the length of the line segment is given by Δx1+[f′(xi*)]2. Adding up the lengths of all the line segments, we get
三平方の定理より、線分の長さは(Δx)2+(Δyi)2である。これはΔx1+((Δyi)/(Δx))2とも書ける。平均値の定理により、f′(xi*)=(Δyi)/(Δx)を満たす点xi*∈[xi−1,xi]が存在する。したがって、この線分の長さはΔx1+[f′(xi*)]2となる。すべての線分の長さを足すと、次式を得る。
Arc Length≈∑i=1n1+[f′(xi*)]2Δx.
弧長≈∑i=1n1+[f′(xi*)]2Δx
This is a Riemann sum. Taking the limit as n→∞, we have
これはリーマン和である。n→∞の極限をとると、次式になる。
Arc Length=limn→∞∑i=1n1+[f′(xi*)]2Δx=∫ab1+[f′(x)]2dx.
弧長=limn→∞∑i=1n1+[f′(xi*)]2Δx=∫ab1+[f′(x)]2dx
We summarize these findings in the following theorem.
以上の結果を、次の定理にまとめる。
Note that we are integrating an expression involving f′(x), so we need to be sure f′(x) is integrable. This is why we require f(x) to be smooth. The following example shows how to apply the theorem.
導関数f′(x)を含む式を積分するので、f′(x)を使った被積分関数が積分可能であることが必要である。f(x)を滑らかな関数に限定したのは、そのためである。次の例で公式を使ってみよう。
Example 6.18例題 6.18

Calculating the Arc Length of a Function of xx の関数の弧長を求める

Let f(x)=2x3/2. Calculate the arc length of the graph of f(x) over the interval [0,1]. Round the answer to three decimal places.
f(x)=2x3/2 とする。区間 [0,1] 上の f(x) のグラフの弧長を求め、小数第4位を四捨五入して小数第3位まで答えよ。
Solution解き方
We have f′(x)=3x1/2, so [f′(x)]2=9x. Then, the arc length is
f′(x)=3x1/2なので、[f′(x)]2=9xである。したがって弧長は、次式で与えられる。
Arc Length=∫ab1+[f′(x)]2dx=∫011+9xdx.
弧長=∫ab1+[f′(x)]2dx=∫011+9xdx.
Substitute u=1+9x. Then, du=9dx. When x=0, then u=1, and when x=1, then u=10. Thus,
u=1+9xと置くと、du=9dxとなる。x=0のときu=1、x=1のときu=10である。よって、次のようになる。
Arc Length=∫011+9xdx=19∫011+9x9dx=19∫110udu=19·23u3/2|110=227[1010−1]≈2.268units.
弧長=∫011+9xdx=19∫011+9x9dx=19∫110udu=19·23u3/2|110=227[1010−1]≈2.268単位.
Although it is nice to have a formula for calculating arc length, this particular theorem can generate expressions that are difficult to integrate. We study some techniques for integration in Introduction to Techniques of Integration. In some cases, we may have to use a computer or calculator to approximate the value of the integral.
英語のヒント
弧長の公式があっても、そこに現れる積分が簡単に計算できるとは限らない。積分の手法については「積分法入門」で学ぶ。場合によっては、コンピューターや電卓で積分の近似値を求める必要がある。
Example 6.19例題 6.19

Using a Computer or Calculator to Determine the Arc Length of a Function of xコンピューターや電卓で x の関数の弧長を求める

Let f(x)=x2. Calculate the arc length of the graph of f(x) over the interval [1,3].
f(x)=x2 とする。区間 [1,3] 上の f(x) のグラフの弧長を求めよ。
Solution解き方
We have f′(x)=2x, so [f′(x)]2=4x2. Then the arc length is given by
f′(x)=2xなので、[f′(x)]2=4x2である。弧長は次の積分で与えられる。
Arc Length=∫ab1+[f′(x)]2dx=∫131+4x2dx.
弧長=∫ab1+[f′(x)]2dx=∫131+4x2dx
Using a computer to approximate the value of this integral, we get
コンピューターでこの積分を近似計算すると、次の値を得る。
∫131+4x2dx≈8.26815.
∫131+4x2dx≈8.26815