次の曲線と2直線、およびx軸で囲まれた2つの部分の面積の和 $S$ を求めよ。 (1) $y = \frac{x-1}{x-2}$, $x = -1$, $x = \frac{3}{2}$ (2) $y = e^{2x} - 1$, $x = -1$, $x = 1$ (3) $y = \sin x$, $x = \frac{\pi}{4}$, $x = \frac{3\pi}{4}$ (4) $y = \log(x-1)$, $x = \frac{3}{2}$, $x = 4$

解析学積分面積定積分対数関数指数関数三角関数
2025/6/26

1. 問題の内容

次の曲線と2直線、およびx軸で囲まれた2つの部分の面積の和 SS を求めよ。
(1) y=x1x2y = \frac{x-1}{x-2}, x=1x = -1, x=32x = \frac{3}{2}
(2) y=e2x1y = e^{2x} - 1, x=1x = -1, x=1x = 1
(3) y=sinxy = \sin x, x=π4x = \frac{\pi}{4}, x=3π4x = \frac{3\pi}{4}
(4) y=log(x1)y = \log(x-1), x=32x = \frac{3}{2}, x=4x = 4

2. 解き方の手順

(1)
y=x1x2=x2+1x2=1+1x2y = \frac{x-1}{x-2} = \frac{x-2+1}{x-2} = 1 + \frac{1}{x-2}
求める面積は
S=132x1x2dxS = \int_{-1}^{\frac{3}{2}} |\frac{x-1}{x-2}|dx
x<1x < 1 の時 x1x2>0\frac{x-1}{x-2} > 0, 1<x<321 < x < \frac{3}{2}の時 x1x2<0\frac{x-1}{x-2} < 0 なので
S=11x1x2dx132x1x2dx=11(1+1x2)dx132(1+1x2)dxS = \int_{-1}^{1} \frac{x-1}{x-2} dx - \int_{1}^{\frac{3}{2}} \frac{x-1}{x-2} dx = \int_{-1}^{1} (1 + \frac{1}{x-2}) dx - \int_{1}^{\frac{3}{2}} (1 + \frac{1}{x-2}) dx
S=[x+logx2]11[x+logx2]132=(1+log1)(1+log3)(32+log12)+(1+log1)=1(1+log3)(32log2)+1=2log332+log2+1=32+log23S = [x + \log|x-2|]_{-1}^{1} - [x + \log|x-2|]_{1}^{\frac{3}{2}} = (1 + \log 1) - (-1 + \log 3) - (\frac{3}{2} + \log \frac{1}{2}) + (1 + \log 1) = 1 - (-1 + \log 3) - (\frac{3}{2} - \log 2) + 1 = 2 - \log 3 - \frac{3}{2} + \log 2 + 1 = \frac{3}{2} + \log \frac{2}{3}
(2)
y=e2x1y = e^{2x} - 1
求める面積は
S=11e2x1dxS = \int_{-1}^{1} |e^{2x} - 1| dx
x<0x < 0 の時 e2x1<0e^{2x} - 1 < 0, x>0x > 0 の時 e2x1>0e^{2x} - 1 > 0 なので
S=10(e2x1)dx+01(e2x1)dx=[12e2xx]10+[12e2xx]01S = - \int_{-1}^{0} (e^{2x} - 1) dx + \int_{0}^{1} (e^{2x} - 1) dx = - [\frac{1}{2}e^{2x} - x]_{-1}^{0} + [\frac{1}{2}e^{2x} - x]_{0}^{1}
S=(120)+(12e2+1)+(12e21)(120)=12+12e2+1+12e2112=12e2+12e21=e2+e221=cosh21S = - (\frac{1}{2} - 0) + (\frac{1}{2}e^{-2} + 1) + (\frac{1}{2}e^{2} - 1) - (\frac{1}{2} - 0) = - \frac{1}{2} + \frac{1}{2}e^{-2} + 1 + \frac{1}{2}e^{2} - 1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2}e^{-2} + \frac{1}{2}e^{2} - 1 = \frac{e^2 + e^{-2}}{2} - 1 = \cosh 2 - 1
(3)
y=sinxy = \sin x
求める面積は
S=π43π4sinxdx=[cosx]π43π4=cos3π4+cosπ4=(22)+22=2S = \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{3\pi}{4}} \sin x dx = [-\cos x]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{3\pi}{4}} = - \cos \frac{3\pi}{4} + \cos \frac{\pi}{4} = - (-\frac{\sqrt{2}}{2}) + \frac{\sqrt{2}}{2} = \sqrt{2}
(4)
y=log(x1)y = \log(x-1)
求める面積は
S=324log(x1)dxS = \int_{\frac{3}{2}}^{4} \log(x-1) dx
u=x1u = x-1 と置換すると、du=dxdu = dx
S=123logudu=[uloguu]123=3log33(12log1212)=3log3312(log2)+12=3log33+12log2+12=3log3+12log252S = \int_{\frac{1}{2}}^{3} \log u du = [u\log u - u]_{\frac{1}{2}}^{3} = 3\log 3 - 3 - (\frac{1}{2}\log \frac{1}{2} - \frac{1}{2}) = 3\log 3 - 3 - \frac{1}{2}(-\log 2) + \frac{1}{2} = 3\log 3 - 3 + \frac{1}{2}\log 2 + \frac{1}{2} = 3\log 3 + \frac{1}{2}\log 2 - \frac{5}{2}

3. 最終的な答え

(1) 32+log23\frac{3}{2} + \log \frac{2}{3}
(2) cosh21\cosh 2 - 1
(3) 2\sqrt{2}
(4) 3log3+12log2523\log 3 + \frac{1}{2}\log 2 - \frac{5}{2}

「解析学」の関連問題

与えられた2つの対数関数のグラフを描く問題です。 (1) $y = \log_2 x$ (2) $y = \log_{\frac{1}{2}} x$

対数関数グラフ関数のグラフ
2025/6/26

関数 $f(x)$ は閉区間 $I=[a, b]$ で連続、開区間 $(a, b)$ で微分可能である。以下の選択肢から正しいものをすべて選ぶ。

微分関数の連続性単調増加単調減少導関数
2025/6/26

関数 $f(x) = -x + 2$($-\pi \le x \le \pi$)をフーリエ級数展開せよ。ただし、$f(x)$ は周期 $2\pi$ の周期関数とする。

フーリエ級数周期関数積分
2025/6/26

関数 $f(x) = -x + 2 (-\pi \le x \le \pi)$ をフーリエ級数展開する。ただし、$f(x)$は周期$2\pi$の周期関数とする。

フーリエ級数周期関数積分三角関数
2025/6/26

定積分 $\int_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{2\pi}{3}} (5\sin t) dt$ を計算します。

定積分三角関数積分
2025/6/26

定積分 $\int_{-\pi}^{\pi} (A\sin(\frac{t}{4}) + B\cos(\frac{t}{3})) dt$ の値を求める。

定積分三角関数奇関数偶関数積分
2025/6/26

## 1. 問題の内容

極限数列関数の極限無限級数部分和部分分数分解
2025/6/26

3次関数 $f(x)$ が与えられており、その極値、グラフの軸との交点などの情報から関数 $f(x)$ を決定し、その接線の方程式を求め、さらに曲線 $y=f(x)$ と接線で囲まれた図形の面積 $S...

3次関数極値接線積分面積
2025/6/26

不等式 $\sqrt{2} \le \sin x - \sqrt{3} \cos x < \sqrt{3}$ を解く問題です。

三角関数不等式三角関数の合成解の範囲
2025/6/26

曲線 $y = x^2 + x$ と曲線 $y = 2x^2$ で囲まれた図形の面積を求める問題です。

積分面積曲線
2025/6/26