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多項式の定積分

◆第問目!

【 数Ⅱ : 難易度 ★ 】
  次の定積分を求めよ $$ \large {\int_{1-\sqrt{3}}^{1+\sqrt{3}} (x^2-2x-2) \hspace{1pt}dx }$$

関数 \({f(x)}\) の不定積分を \({F(x)}\) とするとき、2つの実数 \({a,b}\) で定義される区間 \({a \leqq x \leqq b}\) における定積分は以下のように計算します。 $$ \begin{aligned} \hspace{10pt}\int_a^{b} f(x)dx & = \left[ f(x) \right]_a^b \\[1em] & = F(b)-F(a)\\[1em] \end{aligned} $$

また、1/6公式

$${\hspace{10pt}\int_\alpha^\beta (x-\alpha)(x-\beta)\hspace{1pt}dx = -\frac{1}{6}(\beta-\alpha)^3 \hspace{10pt}}$$

を利用することもできます。
 

【答え】
 \(\displaystyle -4\sqrt{3} \)
 

【解答のポイント】
関数 \({f(x)}\) の不定積分を \({F(x)}\) とするとき、2つの実数 \({a,b}\) で定義される区間 \({a \leqq x \leqq b}\) における定積分は以下のように計算します。 $$ \begin{aligned} \hspace{10pt}\int_a^{b} f(x)dx & = \left[ f(x) \right]_a^b \\[1em] & = F(b)-F(a)\\[1em] \end{aligned} $$

本問をそのまま定積分を求めようとすると計算が煩雑になります。

そこで、1/6公式

$${\hspace{10pt}\int_\alpha^\beta (x-\alpha)(x-\beta)\hspace{1pt}dx = -\frac{1}{6}(\beta-\alpha)^3\hspace{10pt}}$$

が利用できるように因数分解すると簡単に計算することができます。(別解に記載)
 

【解答】
 問題 : 『定積分\(\displaystyle\hspace{2pt}\int_{1-\sqrt{3}}^{1+\sqrt{3}} (x^2-2x-2) \hspace{1pt}dx\hspace{2pt}\)を求めよ』

問題の積分を計算すると

$$ \begin{aligned} \hspace{10pt}& \int_{1-\sqrt{3}}^{1+\sqrt{3}} (x^2-2x-2) \hspace{1pt}dx\\[1em] &= \left[\frac{1}{3}x^3 - x^2 -2x \right]_{1-\sqrt{3}}^{1+\sqrt{3}} \\[1em] & = \frac{1}{3}((1+\sqrt{3})^3-(1-\sqrt{3})^3) -((1+\sqrt{3})^2-(1-\sqrt{3})^2) -2(1+\sqrt{3}-(1-\sqrt{3})) \hspace{10pt}\\[1.0em] & = 4 \sqrt{3}-4\sqrt{3} -4\sqrt{3} \\[1.0em] & = -4\sqrt{3}\\[1.0em] \end{aligned} $$

 

【別解】(1/6公式を使い計算)
問題の被積分関数\({\hspace{1pt}f(x)=x^2-2x-2\hspace{2pt}}\)を因数分解すると

$$ \begin{aligned} \hspace{10pt}& \int_{1-\sqrt{3}}^{1+\sqrt{3}} (x^2-2x-2) \hspace{1pt}dx\\[1em] & = \int_{1-\sqrt{3}}^{1+\sqrt{3}} (x-(1-\sqrt{3}))(x-(1+\sqrt{3})) \hspace{1pt}dx \hspace{10pt} \\[1em] \end{aligned} $$

となります。

この積分を1/6公式

$${\hspace{10pt}\int_\alpha^\beta (x-\alpha)(x-\beta)\hspace{1pt}dx = -\frac{1}{6}(\beta-\alpha)^3\hspace{10pt}}$$

から求めると

$$ \begin{aligned} \hspace{10pt}& \int_{1-\sqrt{3}}^{1+\sqrt{3}} (x-(1-\sqrt{3}))(x-(1+\sqrt{3})) \hspace{1pt}dx \hspace{10pt}\\[1em] & = -\frac{1}{6}( (1+\sqrt{3}) - (1-\sqrt{3}))^3 \\[1em] & = -\frac{1}{6}(2 \sqrt{3})^3 \\[1em] & = -\frac{1}{6} \cdot 24\sqrt{3} \\[1em] & = -4\sqrt{3} \\[1em] \end{aligned} $$
 

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定積分

1/6公式

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