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, between two points.二点間の曲線 の長さを求める。
- Determine the length of a curve, between two points.二点間の曲線 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 then we examine the same process for curves defined as functions of (The process is identical, with the roles of and 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.
まずの関数で表された曲線の弧長を求め、次にの関数について同じ手順を考える。両者はと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 to be integrable, or at most continuous. However, for calculating arc length we have a more stringent requirement for Here, we require to be differentiable, and furthermore we require its derivative, 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、にさらに強い条件を課す。が微分可能であり、その導関数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 be a smooth function defined over We want to calculate the length of the curve from the point to the point We start by using line segments to approximate the length of the curve. For let be a regular partition of Then, for construct a line segment from the point to the point 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
英語のヒント
区間で定義された滑らかな関数を考える。点から点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。として、を区間の等分割とする。について、点から点までの線分を引く。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。の場合を図6.37に示す。

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 The change in vertical distance varies from interval to interval, though, so we use to represent the change in vertical distance over the interval as shown in Figure 6.38. Note that some (or all) 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のように区間の鉛直方向の変化量をと書く。の一部、あるいは全部が負になることもある。

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Figure 6.38図 6.38
A representative line segment approximates the curve over the interval
区間の曲線を近似する、代表的な線分。
By the Pythagorean theorem, the length of the line segment is We can also write this as Now, by the Mean Value Theorem, there is a point such that Then the length of the line segment is given by Adding up the lengths of all the line segments, we get
三平方の定理より、線分の長さはである。これはとも書ける。平均値の定理により、を満たす点が存在する。したがって、この線分の長さはとなる。すべての線分の長さを足すと、次式を得る。
This is a Riemann sum. Taking the limit as we have
これはリーマン和である。の極限をとると、次式になる。
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 so we need to be sure is integrable. This is why we require to be smooth. The following example shows how to apply the theorem.
導関数を含む式を積分するので、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。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 Calculate the arc length of the graph of over the interval Round the answer to three decimal places.
とする。区間 上の 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 so Then, the arc length is
なので、である。したがって弧長は、次式で与えられる。
Substitute Then, When then and when then Thus,
と置くと、となる。のとき、のときである。よって、次のようになる。
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 Calculate the arc length of the graph of over the interval
とする。区間 上の のグラフの弧長を求めよ。
Solution解き方
We have so Then the arc length is given by
なので、である。弧長は次の積分で与えられる。
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。
Checkpoint 6.19確認問題 6.19
Let Calculate the arc length of the graph of over the interval Use a computer or calculator to approximate the value of the integral.
とする。区間 上の のグラフの弧長を求めよ。積分の値は、コンピューターまたは電卓を使って近似せよ。
Solution解き方
Hintヒント
Use the process from the previous example.
直前の例題と同じ手順を用いる。