markdown
積分と計算法―総合演習md 14688dd
exercise/math/calculus/integration-methods-and-computation.exercise.n.md

積分せきぶん計算法けいさんほう総合演習そうごうえんしゅう

date2026-07-15document_iddoc_0b51cb35fb722b4012853008388ac3a1descriptionリーマン和、符号付き面積、微分積分学の基本定理、置換積分、部分積分を横断して確認する総合演習である。prerequisites積分の定義:リーマン和と符号付き面積 / 原始関数と不定積分 / 微分積分学の基本定理 / 積分公式と計算法type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/calculus/integral-definition-riemann-sums-and-signed-area.lecture.n.md / 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 / data/exercise/math/calculus/substitution-and-integration-by-parts.exercise.n.md
mathcalculusexerciseintegralfundamental-theorem
data/lecture/math/calculus/integral-definition-riemann-sums-and-signed-area.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

1演習方針えんしゅうほうしん

この演習えんしゅうでは、定積分ていせきぶん定義ていぎ符号付ふごうつ面積めんせき可変端点かへんたんてん微分びぶん置換積分ちかんせきぶん部分積分ぶぶんせきぶんじゅん確認かくにんする。各問かくもんでは、計算結果けいさんけっかだけでなく、使用しようする定義ていぎまたは定理ていりとその適用条件てきようじょうけん明示めいじすること。


2問題もんだい 1

[0,1]n 等分とうぶんし、各小区間かくしょうくかん右端点うたんてん標本点ひょうほんてんとするリーマンから

01x2dx

計算けいさんせよ。ただし、

i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6

使用しようしてよい。

2.1解答例かいとうれい

f(x)=x2 とする。f[0,1] じょう連続れんぞくであるため、リーマン積分可能せきぶんかのうである。小区間しょうくかんはばΔx=1/n右端点うたんてんxi=i/n である。したがって、リーマン

i=1nf(xi)Δx=1n3i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6n3

である。よって、

01x2dx=limnn(n+1)(2n+1)6n3=13

となる。

2.2解説かいせつ

リーマン各項かくこうは、関数値かんすうち f(xi)小区間しょうくかんはば Δxせきである。Δx省略しょうりゃくすると、面積要素めんせきようそではなく関数値かんすうちだけを加算かさんすることになる。


3問題もんだい 2

-12(x-1)dx

と、y=x-1x じくx=-1x=2かこまれる幾何学的面積きかがくてきめんせきをそれぞれ計算けいさんせよ。

3.1解答例かいとうれい

x-1[-1,2] じょう連続れんぞくであり、微分積分学びぶんせきぶんがく基本定理きほんていり適用てきようできる。F(x)=(x-1)2/2x-1原始関数げんしかんすうであるから、

-12(x-1)dx=[(x-1)22]-12=12-2=-32

である。一方いっぽうx-1符号ふごうx=1変化へんかするため、幾何学的面積きかがくてきめんせき

--11(x-1)dx+12(x-1)dx=2+12=52

である。

3.2解説かいせつ

定積分ていせきぶん符号付ふごうつ面積めんせきあらわし、x じく下側したがわ寄与きよとして加算かさんする。幾何学的面積きかがくてきめんせきでは、零点れいてん区間くかん分割ぶんかつし、各部分かくぶぶん絶対値ぜったいち加算かさんする。


4問題もんだい 3

H(x)=xx2sintdt

とする。H(x)計算けいさんせよ。

4.1解答例かいとうれい

sint連続れんぞくであり、端点関数たんてんかんすう xx2微分可能びぶんかのうであるため、可変端点かへんたんてん公式こうしき適用てきようできる。固定端点こていたん 0導入どうにゅうすると、

H(x)=0x2sintdt-0xsintdt

である。微分積分学びぶんせきぶんがく基本定理きほんていり連鎖律れんさりつにより、

H(x)=2xsin(x2)-sinx

となる。

4.2解説かいせつ

上端じょうたん x2 からは sin(x2)·2x下端かたん x からは -sinxしょうじる。下端かたんこう負号ふごうくこと、および各端点かくたんてん導関数どうかんすうじょうじることが要点ようてんである。


5問題もんだい 4

適切てきせつ積分法せきぶんほう選択せんたくし、

013x2ex3dx

計算けいさんせよ。選択理由せんたくりゆう変換後へんかんご積分区間せきぶんくかん明示めいじすること。

5.1解答例かいとうれい

g(x)=x3[0,1] じょう連続微分可能れんぞくびぶんかのうであり、eug([0,1])=[0,1] じょう連続れんぞくである。さらに、被積分関数ひせきぶんかんすうeg(x)g(x)かたちであるため、置換積分ちかんせきぶん選択せんたくする。u=x3くと du=3x2dx であり、端点たんてん01 のままである。したがって、

013x2ex3dx=01eudu=[eu]01=e-1

となる。

5.2解説かいせつ

被積分関数ひせきぶんかんすうは、合成関数ごうせいかんすう ex3内部関数ないぶかんすう x3導関数どうかんすう 3x2因子いんしとしてふくむ。定積分ていせきぶん変数へんすうu変更へんこうしたあとは、端点たんてんuあたい変換へんかんする。


6問題もんだい 5

適切てきせつ積分法せきぶんほう選択せんたくし、

01xsinxdx

計算けいさんせよ。選択理由せんたくりゆう明示めいじすること。

6.1解答例かいとうれい

u=xv=sinx とすると、u=1v=-cosx であり、これらの導関数どうかんすう[0,1] じょう連続れんぞくである。多項式たこうしき微分びぶんすると単純化たんじゅんかするため、部分積分ぶぶんせきぶん選択せんたくする。したがって、

01xsinxdx=[-xcosx]01+01cosxdx=-cos1+sin1

となる。

6.2解説かいせつ

多項式因子たこうしきいんし x微分びぶんによって 1 に単純化たんじゅんかし、sinx には容易よういもとめられる原始関数げんしかんすう -cosx がある。定積分ていせきぶん部分積分ぶぶんせきぶんでは、境界項きょうかいこう [uv]01のこ積分せきぶん双方そうほう評価ひょうかする。

7基礎演習きそえんしゅう

data/exercise/math/calculus/substitution-and-integration-by-parts.exercise.n.md

8関連講義かんれんこうぎ

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

data/lecture/math/calculus/integral-definition-riemann-sums-and-signed-area.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

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

01x2dx

from the resulting Riemann sum. You may use

i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6.

2.1Sample Solution

Let f(x)=x2. The function f is continuous, hence Riemann integrable, on [0,1]. The subinterval width is Δx=1/n, and the right endpoint is xi=i/n. Therefore, the Riemann sum is

i=1nf(xi)Δx=1n3i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6n3.

Consequently,

01x2dx=limnn(n+1)(2n+1)6n3=13.

2.2Explanation

Each term of a Riemann sum is the product of a function value f(xi) and a subinterval width Δx. Omitting Δx would sum function values rather than area elements.


3Problem 2

Evaluate

-12(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,

-12(x-1)dx=[(x-1)22]-12=12-2=-32.

In contrast, x-1 changes sign at x=1, so the geometric area is

--11(x-1)dx+12(x-1)dx=2+12=52.

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)=xx2sintdt.

Find H(x).

4.1Sample Solution

The integrand sint is continuous, and the endpoint functions x and x2 are differentiable, so the variable-endpoint formula applies. Introducing the fixed endpoint 0 gives

H(x)=0x2sintdt-0xsintdt.

The fundamental theorem of calculus and the chain rule yield

H(x)=2xsin(x2)-sinx.

4.2Explanation

The upper endpoint x2 contributes sin(x2)·2x, while the lower endpoint x contributes -sinx. 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

013x2ex3dx.

State the reason for your choice and the transformed interval of integration.

5.1Sample Solution

The function g(x)=x3 is continuously differentiable on [0,1], and eu is continuous on g([0,1])=[0,1]. Moreover, the integrand has the form eg(x)g(x), so substitution is appropriate. Let u=x3, so du=3x2dx; the transformed endpoints remain 0 and 1. Therefore,

013x2ex3dx=01eudu=[eu]01=e-1.

5.2Explanation

The integrand contains the composite function ex3 and the derivative 3x2 of the inner function x3 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

01xsinxdx.

State the reason for your choice.

6.1Sample Solution

Take u=x and v=sinx, so that u=1 and v=-cosx; their derivatives are continuous on [0,1]. Differentiating the polynomial simplifies it, so integration by parts is appropriate. Therefore,

01xsinxdx=[-xcosx]01+01cosxdx=-cos1+sin1.

6.2Explanation

The polynomial factor x simplifies to 1 after differentiation, while sinx has the readily available antiderivative -cosx. For a definite integral, evaluate both the boundary term [uv]01 and the remaining integral.

7Basic Exercises

data/exercise/math/calculus/substitution-and-integration-by-parts.exercise.n.md

8Related Lectures

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
raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる