積分と計算法―総合演習
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1演習方針
この演習では、定積分の定義、符号付き面積、可変端点の微分、置換積分、部分積分を順に確認する。各問では、計算結果だけでなく、使用する定義または定理とその適用条件を明示すること。
2問題 1
[0,1] を n 等分し、各小区間の右端点を標本点とするリーマン和から
\int_0^1x^2\,dx
を計算せよ。ただし、
\sum_{i=1}^n i^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6
を使用してよい。
2.1解答例
f(x)=x^2 とする。f は [0,1] 上で連続であるため、リーマン積分可能である。小区間の幅は \Delta x=1/n、右端点は x_i=i/n である。したがって、リーマン和は
\sum_{i=1}^n f(x_i)\Delta x
=\frac1{n^3}\sum_{i=1}^ni^2
=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6n^3}
である。よって、
\int_0^1x^2\,dx
=\lim_{n\to\infty}\frac{n(n+1)(2n+1)}{6n^3}
=\frac13
となる。
2.2解説
リーマン和の各項は、関数値 f(x_i) と小区間の幅 \Delta x の積である。\Delta x を省略すると、面積要素ではなく関数値だけを加算することになる。
3問題 2
\int_{-1}^{2}(x-1)\,dx
と、y=x-1、x 軸、x=-1、x=2 で囲まれる幾何学的面積をそれぞれ計算せよ。
3.1解答例
x-1 は [-1,2] 上で連続であり、微分積分学の基本定理を適用できる。F(x)=(x-1)^2/2 は x-1 の原始関数であるから、
\int_{-1}^{2}(x-1)\,dx
=\left[\frac{(x-1)^2}{2}\right]_{-1}^{2}
=\frac12-2=-\frac32
である。一方、x-1 の符号は x=1 で変化するため、幾何学的面積は
-\int_{-1}^{1}(x-1)\,dx+\int_1^2(x-1)\,dx
=2+\frac12=\frac52
である。
3.2解説
定積分は符号付き面積を表し、x 軸の下側の寄与を負として加算する。幾何学的面積では、零点で区間を分割し、各部分の絶対値を加算する。
4問題 3
H(x)=\int_x^{x^2}\sin t\,dt
とする。H'(x) を計算せよ。
4.1解答例
\sin t は連続であり、端点関数 x と x^2 は微分可能であるため、可変端点の公式を適用できる。固定端点 0 を導入すると、
H(x)=\int_0^{x^2}\sin t\,dt-\int_0^x\sin t\,dt
である。微分積分学の基本定理と連鎖律により、
H'(x)=2x\sin(x^2)-\sin x
となる。
4.2解説
上端 x^2 からは \sin(x^2)\cdot2x、下端 x からは -\sin x が生じる。下端の項に負号が付くこと、および各端点の導関数を乗じることが要点である。
5問題 4
適切な積分法を選択し、
\int_0^1 3x^2e^{x^3}\,dx
を計算せよ。選択理由と変換後の積分区間も明示すること。
5.1解答例
g(x)=x^3 は [0,1] 上で連続微分可能であり、e^u は g([0,1])=[0,1] 上で連続である。さらに、被積分関数は e^{g(x)}g'(x) の形であるため、置換積分を選択する。u=x^3 と置くと du=3x^2\,dx であり、端点は 0 と 1 のままである。したがって、
\int_0^1 3x^2e^{x^3}\,dx
=\int_0^1e^u\,du
=\bigl[e^u\bigr]_0^1
=e-1
となる。
5.2解説
被積分関数は、合成関数 e^{x^3} と内部関数 x^3 の導関数 3x^2 を因子として含む。定積分の変数を u に変更した後は、端点も u の値に変換する。
6問題 5
適切な積分法を選択し、
\int_0^1 x\sin x\,dx
を計算せよ。選択理由も明示すること。
6.1解答例
u=x、v' =\sin x とすると、u'=1、v=-\cos x であり、これらの導関数は [0,1] 上で連続である。多項式を微分すると単純化するため、部分積分を選択する。したがって、
\int_0^1 x\sin x\,dx
=\bigl[-x\cos x\bigr]_0^1+\int_0^1\cos x\,dx
=-\cos1+\sin1
となる。
6.2解説
多項式因子 x は微分によって 1 に単純化し、\sin x には容易に求められる原始関数 -\cos x がある。定積分の部分積分では、境界項 [uv]_0^1 と残る積分の双方を評価する。
7基礎演習
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8関連講義
data/lecture/math/calculus/antiderivatives-and-indefinite-integrals.lecture.n.md
data/lecture/math/calculus/fundamental-theorem-of-calculus.lecture.n.md
data/lecture/math/calculus/integration-rules-and-computation.lecture.n.md
Integration and Computation — Comprehensive Exercises
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data/lecture/math/calculus/fundamental-theorem-of-calculus.lecture.n.md
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1Exercise Objectives
These exercises review the definition of a definite integral, signed area, differentiation with variable endpoints, substitution, and integration by parts. For each problem, identify the definition or theorem being used and state the conditions required for its application, rather than reporting only the numerical result.
2Problem 1
Partition [0,1] into n equal subintervals and use the right endpoint of each subinterval as the sample point. Evaluate
\int_0^1x^2\,dx
from the resulting Riemann sum. You may use
\sum_{i=1}^n i^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6.
2.1Sample Solution
Let f(x)=x^2. The function f is continuous, hence Riemann integrable, on [0,1]. The subinterval width is \Delta x=1/n, and the right endpoint is x_i=i/n. Therefore, the Riemann sum is
\sum_{i=1}^n f(x_i)\Delta x
=\frac1{n^3}\sum_{i=1}^ni^2
=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6n^3}.
Consequently,
\int_0^1x^2\,dx
=\lim_{n\to\infty}\frac{n(n+1)(2n+1)}{6n^3}
=\frac13.
2.2Explanation
Each term of a Riemann sum is the product of a function value f(x_i) and a subinterval width \Delta x. Omitting \Delta x would sum function values rather than area elements.
3Problem 2
Evaluate
\int_{-1}^{2}(x-1)\,dx
and the geometric area bounded by y=x-1, the x-axis, x=-1, and x=2.
3.1Sample Solution
The function x-1 is continuous on [-1,2], so the fundamental theorem of calculus applies. The function F(x)=(x-1)^2/2 is an antiderivative of x-1. Hence,
\int_{-1}^{2}(x-1)\,dx
=\left[\frac{(x-1)^2}{2}\right]_{-1}^{2}
=\frac12-2=-\frac32.
In contrast, x-1 changes sign at x=1, so the geometric area is
-\int_{-1}^{1}(x-1)\,dx+\int_1^2(x-1)\,dx
=2+\frac12=\frac52.
3.2Explanation
A definite integral represents signed area and counts contributions below the x-axis as negative. To obtain geometric area, split the interval at each zero and add the absolute value of each contribution.
4Problem 3
Let
H(x)=\int_x^{x^2}\sin t\,dt.
Find H'(x).
4.1Sample Solution
The integrand \sin t is continuous, and the endpoint functions x and x^2 are differentiable, so the variable-endpoint formula applies. Introducing the fixed endpoint 0 gives
H(x)=\int_0^{x^2}\sin t\,dt-\int_0^x\sin t\,dt.
The fundamental theorem of calculus and the chain rule yield
H'(x)=2x\sin(x^2)-\sin x.
4.2Explanation
The upper endpoint x^2 contributes \sin(x^2)\cdot2x, while the lower endpoint x contributes -\sin x. The lower-endpoint term has a minus sign, and each endpoint contribution is multiplied by the derivative of that endpoint.
5Problem 4
Select an appropriate integration method and evaluate
\int_0^1 3x^2e^{x^3}\,dx.
State the reason for your choice and the transformed interval of integration.
5.1Sample Solution
The function g(x)=x^3 is continuously differentiable on [0,1], and e^u is continuous on g([0,1])=[0,1]. Moreover, the integrand has the form e^{g(x)}g'(x), so substitution is appropriate. Let u=x^3, so du=3x^2\,dx; the transformed endpoints remain 0 and 1. Therefore,
\int_0^1 3x^2e^{x^3}\,dx
=\int_0^1e^u\,du
=\bigl[e^u\bigr]_0^1
=e-1.
5.2Explanation
The integrand contains the composite function e^{x^3} and the derivative 3x^2 of the inner function x^3 as factors. After changing the variable of a definite integral to u, transform the endpoints to values of u as well.
6Problem 5
Select an appropriate integration method and evaluate
\int_0^1 x\sin x\,dx.
State the reason for your choice.
6.1Sample Solution
Take u=x and v'=\sin x, so that u'=1 and v=-\cos x; their derivatives are continuous on [0,1]. Differentiating the polynomial simplifies it, so integration by parts is appropriate. Therefore,
\int_0^1 x\sin x\,dx
=\bigl[-x\cos x\bigr]_0^1+\int_0^1\cos x\,dx
=-\cos1+\sin1.
6.2Explanation
The polynomial factor x simplifies to 1 after differentiation, while \sin x has the readily available antiderivative -\cos x. For a definite integral, evaluate both the boundary term [uv]_0^1 and the remaining integral.
7Basic Exercises
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8Related Lectures
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