二重積分

x を固定すると、z = f(x, y) の下の立体に断面ができ、その面積 A(x) は y についての普通の積分です。A(x) を x に沿って積分すれば体積になります。代わりに y を固定するなら、領域を逆向きに読み、x を二本の曲線の間にとります。このページでは、一つを除くすべての場合で二つの順序の答えが一致します。

x を固定した断面
もう一方の順序(フビニ)、∬|f| dA が有限のとき
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レッスン

理論 — 二重積分

二重積分 ∬D f(x, y) dA は、xy 平面の領域 D と曲面 z = f(x, y) の間の体積です。平面より下にある部分は負として数えます。計算は累次積分で行います。一方の変数を固定してもう一方で積分し、その結果をさらに積分します。

各記号の意味

A(x)
x を固定したときの断面の面積。それ自体が y についての積分
g₁(x), g₂(x)
D を x に沿って読んだときの、下側と上側の境界
h₁(y), h₂(y)
D を y に沿って読んだときの、左側と右側の境界

公式の導き方

  1. x を固定する。 その x での平面が立体を切り、上端が曲線 y ↦ f(x, y) である断面ができます。断面は領域の下側の境界から上側の境界まで伸びます。その面積は x を定数とみなした y についての積分で、偏微分と同じ手つきです。
  2. 断面を足し合わせる。 体積は A(x) の x に沿った積分です。断面積による体積の求め方そのもので、違うのは断面自体に積分が一つ要ったことだけです。
  3. あるいは逆向きに切る。 D を y に沿って読み、x を左右の境界の間にとって、先に x で積分します。フビニの定理によれば、∬|f| dA が有限ならば二つの順序は同じ値を与えます。閉じた有界な領域上の連続関数 f なら、これは常に成り立ちます。
前提
f は D 上で連続、あるいは少なくとも ∬|f| dA が有限であること。三角形の上の辺が x = 1 で式を変えるように、D の境界の式が途中で変わるところでは、そこで積分を分けます。

全プロセスの詳細解説

  1. 長方形の上で、両方の順序で 3 ステップ

    長方形 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 1 上で ∬ xy² dA を、両方の順序で計算せよ。

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    1. x を固定し、x を定数とみなして y で積分します:

    2. 次に x に沿って:

    3. もう一方の順序、y を固定した断面で:

    解答

    どちらでも 2/3 ≈ 0.6667。 長方形の上ではどちらの順序でも積分の端が数になり、積は分解できます:(∫₀² x dx)(∫₀¹ y² dy) = 2 · 1/3。

  2. 二本の曲線にはさまれた領域 2 ステップ

    y = x² と y = x にはさまれた領域上で ∬ (x + y) dA を計算せよ。

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    1. 二曲線は x = 0 と x = 1 で交わり、その間では x² ≤ x なので、x を固定した断面は y = x² から y = x までです:

    2. 0 から 1 まで積分します:

    解答

    3/20 = 0.15。

  3. 順序を逆にする 3 ステップ

    問題 2 の積分を、積分の順序を逆にして書き直し、計算せよ。

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    1. 領域を y に沿って読むと、y は 0 から 1 までで、高さ y での左の境界は直線 x = y、右の境界は放物線 x = √y です:

    2. 内側の積分(y は固定):

    3. 次に y に沿って:

    解答

    やはり 3/20。 x に沿って読んだときに下側の境界だった放物線は、y に沿って読むと右側の境界になり、x = √y と書かれます。

  4. 積分一つで済む順序を選ぶ 3 ステップ

    頂点 (0, 0)、(2, 0)、(1, 1) の三角形上で ∬ xy dA を計算せよ。

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    1. x に沿って読むと、上の辺は x = 1 までは y = x、その先は y = 2 − x で、積分が二つになります。y に沿って読めば、どの y でも三角形は左の辺 x = y から右の辺 x = 2 − y まで伸びるので、y を固定して切ります:

    2. 内側の積分:

    3. 次に y に沿って:

    解答

    1/3 ≈ 0.3333。 もう一方の順序では二つの部分から 1/8 + 5/24 が出て、同じく 1/3 になります。

  5. 式を得るために順序を逆にする 3 ステップ

    ∫₀¹ ∫ₓ¹ e^(y²) dy dx を計算せよ。

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    1. 内側の積分には初等的な原始関数がないので、順序を逆にします。領域は 0 ≤ x ≤ y ≤ 1 で、y に沿って読むと 0 ≤ y ≤ 1、0 ≤ x ≤ y です:

    2. 被積分関数は x によりません:

    3. u = y² と置換します:

    解答

    (e − 1)/2 ≈ 0.8591。

  6. 面で囲まれた立体 3 ステップ

    三つの座標平面と平面 x + y + z = 1 で囲まれた四面体の体積を求めよ。

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    1. この立体は z = 1 − x − y の下にあり、xy 平面のうちその高さが負にならない部分 x ≥ 0, y ≥ 0, x + y ≤ 1 の上にあります。この三角形を x に沿って読みます:

    2. 内側の積分(x は固定):

    3. 次に x に沿って:

    解答

    1/6。底面積と高さの積の 3 分の 1、(1/3)(1/2)(1) と一致します。

  7. 領域上の平均の高さ 3 ステップ

    問題 2 の領域上で f(x, y) = x + y の平均値を求めよ。

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    1. 平均値は体積を領域の面積 |D| で割ったもので、同じ体積をもつ D 上の平らな板の高さにあたります:

    2. 面積は 1 の二重積分です:

    3. 問題 2 の体積 3/20 を使うと:

    解答

    9/10 = 0.9。

  8. 二つの順序が一致しないとき 4 ステップ

    単位正方形上での f(x, y) = (x² − y²)/(x² + y²)² の二つの累次積分が異なることを示し、フビニの定理のどの仮定が成り立たないかを述べよ。

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    1. y/(x² + y²) を y で微分すると f になるので、x > 0 を固定すると:

    2. したがってこの順序では:

    3. x と y を入れ替えると f の符号が変わるので、もう一方の順序は符号を逆にした同じ計算です:

    4. 極座標では f = cos 2θ/r² です。正方形の内側にある半径 1 の四分円の上で、

    解答

    一方の順序では π/4 ≈ 0.7854、もう一方では −π/4。 ∬|f| dA は無限大であり、フビニの定理が仮定しているのはまさにその有限性です。

順序を入れ替えると、式のなかった積分に式ができる 🖖

式にならない断面 を押してみてください。x を固定すると、断面は e^(y²) の y = x から 1 までの積分です。e^(y²) には初等関数で表せる原始関数がなく、積分の章で e^(−t²) がぶつかったのと同じ壁です。ページは各断面を数値的に計算するしかありません。次に 同じものを逆向きに を押してください。y を固定すると、断面は x = 0 から x = y までで、高さ e^(y²) は x によらないので、断面は面積 y·e^(y²) の長方形です。これは e^(y²)/2 の導関数で、体積はちょうど (e − 1)/2 になります。立体そのものは何も変わっていません。断面に式があるかどうかを決めたのは、積分する順序でした。

順序で答えが変わる関数 🖖

順序で答えが変わる を押してみてください。曲面 (x² − y²)/(x² + y²)² は、単位正方形の対角線より下で正、上で負です。x を固定して切ると、どの断面も差し引き正の 1/(1 + x²) になり、累次積分は π/4 ≈ 0.7854 です。dx dy に切り替えると、どの断面も差し引き負の −1/(1 + y²) になり、答えは −0.7854 です。どちらの計算にも誤りはありません。原点の近くでこの曲面は cos 2θ/r² のようにふるまうので、正方形の上側の体積と下側の体積はどちらも無限大で、二つの順序はそれらを別々のやり方で打ち消し合わせます。両者が一致すべき二重積分が、そもそも存在しないのです。1907 年に発表されたフビニの定理は、∬|f| dA が有限なら二つの順序が一致することを保証します。ここではそれが無限大なので、定理は何も保証しません。

無限に伸びる尖端の下の立体は、体積 π²/6 🖖

体積 π²/6 を押してみてください。曲面 1/(1 − xy) は角 (1, 1) で限りなく高くなりますが、単位正方形の上でその下にある立体の体積は 1.6449 です。被積分関数を等比級数 1 + xy + x²y² + … に展開して項別に積分すると、xⁿyⁿ の正方形上の積分は 1/(n + 1)² なので、体積は 1 + 1/4 + 1/9 + … です。これは 1735 年にオイラーが π²/6 に等しいと示した和です。逆に読めば、二重積分はこの級数の和を求める一つの方法です。フリッツ・ボイカーズは 1979 年、分母に 1 − xy をもつ同じ正方形上の積分を使って、1 + 1/8 + 1/27 + … が無理数であることの短い証明を与えました。

学習の道すじ

積分の応用

参考文献 (4)