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絶対値記号を含む二次関数の定積分

◆第問目!

【 数Ⅱ : 難易度 ★ 】
  次の定積分を求めよ $$ \large {\int_{0}^{2} x |x -1|\hspace{1pt}dx }$$

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。 $$ \begin{aligned} \hspace{10pt}\int_a^{b} f(x)dx & = \left[ f(x) \right]_a^b \\[1em] & = F(b)-F(a)\\[1em] \end{aligned} $$

絶対値記号を含む場合、絶対値記号を外して積分する必要があります。

絶対値記号は、中身が正か負かで場合分けをすることで外すことができます。 $$|x| = \begin{dcases} x & ( x \geqq 0 ) \\ -x & ( x \lt 0 ) \end{dcases} $$

【答え】
 \(\displaystyle 1 \)
 

【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。 $$ \begin{aligned} \hspace{10pt}\int_a^{b} f(x)dx & = \left[ f(x) \right]_a^b \\[1em] & = F(b)-F(a)\\[1em] \end{aligned} $$

絶対値記号を含む場合、絶対値記号を外して積分する必要があります。

絶対値記号は、中身が正か負かで場合分けをすることで外すことができます。 $$|x| = \begin{dcases} x & ( x \geqq 0 ) \\ -x & ( x \lt 0 ) \end{dcases} $$
 

【解答】
 問題 : 『定積分\(\displaystyle\hspace{2pt}\int_{0}^{2} x |x -1|\hspace{1pt}dx \hspace{2pt}\)を求めよ』

\({0 \leqq x \leqq 1\hspace{1pt}}\)のとき $${ |x-1|=-x+1}$$
\({1 \leqq x \leqq 2\hspace{1pt}}\)のとき $${|x-1|=x-1 }$$ であることから

$$ \begin{aligned} \hspace{10pt}& \int_{0}^{2} x |x -1|\hspace{1pt}dx\\[1em] &= \int_{0}^{1} x(-x+1)\hspace{1pt}dx + \int_{1}^{2} x(x-1)\hspace{1pt}dx \\[1em] &= \int_{0}^{1} (-x^2+x)\hspace{1pt}dx + \int_{1}^{2} (x^2-x)\hspace{1pt}dx \\[1em] & = \left[-\frac{1}{3}x^3 + \frac{1}{2}x^2 \right]_0^1 + \left[\frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{2}x^2 \right]_1^2 \\[1.0em] & = -\frac{1}{3}\cdot 1^3 +\frac{1}{2}\cdot 1^2 + \frac{1}{3}(2^3-1^3) -\frac{1}{2}(2^2-1^2) \hspace{10pt}\\[1.0em] & = -\frac{1}{3} +\frac{1}{2} + \frac{7}{3} -\frac{3}{2}\\[1.0em] & = 1 \end{aligned} $$

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