面積


平面上の図形の面積の求め方を考える。

下図のような平面上の図形が与えられたとき,平面上に適当に \(\displaystyle x \) 軸をとり,図形が \(\displaystyle a \leq x \leq b \) の範囲に入っているとする。 このとき,区間 \(\displaystyle [a,b] \) を下図のように分割し, \(\displaystyle x_k\) を通り \(\displaystyle x \) 軸に垂直な線分達で 図形を分割しておく。

各分割の面積を \(\displaystyle S_k \) とすると,

図形の面積 \(\displaystyle S = S_1 + \ldots + S_k+ \ldots + S_n \)

となる。

ここで,各 \(\displaystyle S_k \) を,下図のような長方形の面積 \(\displaystyle D_k \)で近似する。

このとき,

\(\displaystyle D_k = l(x_{k-1}) \, (x_k - x_{k-1}) \)

であり,さらに

\(\displaystyle S = \sum_{k=1}^n S_k \fallingdotseq \sum_{k=1}^n D_k = \sum_{k=1}^n l(x_{k-1}) \, (x_k - x_{k-1}) \)

となるが,分割を細かくしていけば,上式の右辺は \(\displaystyle S \) に 収束していく。すなわち,

\(\displaystyle S= \lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^n l(x_{k-1}) \, (x_k - x_{k-1}) \)

ということが分かる。故に,定積分の定義によって次の公式を得る。

\(\displaystyle S = \int_a^b l(x) \, dx \)