与えられた曲線の長さを求める問題です。 (1) $y = \sqrt{1-x^2}$ ($0 \leq x \leq \frac{1}{2}$) (2) $y = 2x\sqrt{x}$ ($0 \leq x \leq 1$) (3) $y = x^2$ ($0 \leq x \leq 2$)

解析学曲線の長さ積分微分
2025/7/29

1. 問題の内容

与えられた曲線の長さを求める問題です。
(1) y=1x2y = \sqrt{1-x^2} (0x120 \leq x \leq \frac{1}{2})
(2) y=2xxy = 2x\sqrt{x} (0x10 \leq x \leq 1)
(3) y=x2y = x^2 (0x20 \leq x \leq 2)

2. 解き方の手順

曲線の長さLは一般に、次の式で求められます。
L=ab1+(dydx)2dxL = \int_{a}^{b} \sqrt{1 + (\frac{dy}{dx})^2} dx
(1) y=1x2y = \sqrt{1-x^2} の場合
dydx=x1x2\frac{dy}{dx} = \frac{-x}{\sqrt{1-x^2}}
(dydx)2=x21x2(\frac{dy}{dx})^2 = \frac{x^2}{1-x^2}
1+(dydx)2=1+x21x2=11x21 + (\frac{dy}{dx})^2 = 1 + \frac{x^2}{1-x^2} = \frac{1}{1-x^2}
L=01/211x2dx=01/211x2dx=[arcsin(x)]01/2=arcsin(12)arcsin(0)=π60=π6L = \int_{0}^{1/2} \sqrt{\frac{1}{1-x^2}} dx = \int_{0}^{1/2} \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} dx = [\arcsin(x)]_{0}^{1/2} = \arcsin(\frac{1}{2}) - \arcsin(0) = \frac{\pi}{6} - 0 = \frac{\pi}{6}
(2) y=2xx=2x3/2y = 2x\sqrt{x} = 2x^{3/2} の場合
dydx=3x\frac{dy}{dx} = 3\sqrt{x}
(dydx)2=9x(\frac{dy}{dx})^2 = 9x
1+(dydx)2=1+9x1 + (\frac{dy}{dx})^2 = 1 + 9x
L=011+9xdxL = \int_{0}^{1} \sqrt{1 + 9x} dx
u=1+9xu = 1 + 9x とおくと、du=9dxdu = 9 dx より dx=19dudx = \frac{1}{9} du.
x=0x=0 のとき u=1u=1, x=1x=1 のとき u=10u=10.
L=11019udu=19110u1/2du=19[23u3/2]110=227[u3/2]110=227(103/213/2)=227(10101)L = \int_{1}^{10} \frac{1}{9} \sqrt{u} du = \frac{1}{9} \int_{1}^{10} u^{1/2} du = \frac{1}{9} [\frac{2}{3} u^{3/2}]_{1}^{10} = \frac{2}{27} [u^{3/2}]_{1}^{10} = \frac{2}{27} (10^{3/2} - 1^{3/2}) = \frac{2}{27} (10\sqrt{10} - 1)
(3) y=x2y = x^2 の場合
dydx=2x\frac{dy}{dx} = 2x
(dydx)2=4x2(\frac{dy}{dx})^2 = 4x^2
1+(dydx)2=1+4x21 + (\frac{dy}{dx})^2 = 1 + 4x^2
L=021+4x2dx=02(2x)2+1dxL = \int_{0}^{2} \sqrt{1 + 4x^2} dx = \int_{0}^{2} \sqrt{(2x)^2 + 1} dx
ここで与えられた積分公式 x2+Adx=12xx2+A+A2logx+x2+A+C\int \sqrt{x^2 + A} dx = \frac{1}{2} x\sqrt{x^2 + A} + \frac{A}{2} \log|x + \sqrt{x^2 + A}| + C を用いる。
2x=t2x = tとおくと、x=t/2x=t/2 より dx=12dtdx = \frac{1}{2}dt
t2+112dt=12t2+1dt=12(12tt2+1+12logt+t2+1)\int \sqrt{t^2 + 1} \frac{1}{2} dt = \frac{1}{2}\int \sqrt{t^2 + 1} dt = \frac{1}{2} (\frac{1}{2}t\sqrt{t^2 + 1} + \frac{1}{2} \log|t + \sqrt{t^2 + 1}|)
=14tt2+1+14logt+t2+1=142x4x2+1+14log2x+4x2+1=\frac{1}{4}t\sqrt{t^2 + 1} + \frac{1}{4} \log|t + \sqrt{t^2 + 1}| = \frac{1}{4} 2x\sqrt{4x^2 + 1} + \frac{1}{4} \log|2x + \sqrt{4x^2 + 1}|
=12x4x2+1+14log2x+4x2+1 = \frac{1}{2} x\sqrt{4x^2 + 1} + \frac{1}{4} \log|2x + \sqrt{4x^2 + 1}|
L=[12x4x2+1+14log2x+4x2+1]02=12(2)4(22)+1+14log2(2)+4(22)+1014log1L = [\frac{1}{2} x\sqrt{4x^2 + 1} + \frac{1}{4} \log|2x + \sqrt{4x^2 + 1}|]_{0}^{2} = \frac{1}{2} (2)\sqrt{4(2^2) + 1} + \frac{1}{4} \log|2(2) + \sqrt{4(2^2) + 1}| - 0 - \frac{1}{4} \log|1|
=17+14log(4+17) = \sqrt{17} + \frac{1}{4} \log(4 + \sqrt{17})

3. 最終的な答え

(1) π6\frac{\pi}{6}
(2) 227(10101)\frac{2}{27} (10\sqrt{10} - 1)
(3) 17+14log(4+17)\sqrt{17} + \frac{1}{4} \log(4 + \sqrt{17})

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