接線と面積の公式

 放物線
   y=a(x−α)(x−β)   (α<β)
とx軸で囲まれた図形の面積は
   
で表わされます。また一般に,放物線と直線,放物線と放物線で囲まれた図形の面積も同様の式で与えられます。

 ここでは2次,3次,4次の関数とその接線とで囲まれた部分の面積がどうなるか考えてみましょう。

○2次の関数と接線

 放物線f(x)=ax2+bx+cが,その上の2点A(α,f(α)),B(β,f(β))における接線とで囲まる部分の面積を求めてみましょう。
   y'=2ax+b
より,2点A,Bにおける接線の方程式は
   y=(2aα+b)x−aα2+c
   y=(2aβ+b)x−aβ2+c
となり,また接線の交点Pのx座標は
   p=(α+β)/2
ですから,求める面積は
   
で与えられます。これを計算すると
   
となります。これはちょうど2点A,Bを通る直線とで囲まれる部分の面積の半分になります。

 

○3次の関数と接線

 3次の関数f(x)=ax3+bx2+cx+dが,その上の点A(α,f(α))で接し,点B(β,f(β))で交わっているとします。このときの3次の曲線と直線とで囲まれる部分の面積を求めてみましょう。
    ax3+bx2+cx+d=a(x−α)2(x−β)
と因数分解できますから,求める面積は
   
で与えられます。これを計算すると
   
となります。

○4次の関数と接線

 3次の関数f(x)=ax4+bx3+cx2+dx+eが,その上の2点A(α,f(α)),B(β,f(β))における接線とで囲まる部分の面積を求めてみましょう。
    ax4+bx3+cx2+dx+e=a(x−α)2(x−β)2
と因数分解できますから,求める面積は
   
で与えられます。これを計算すると
   
となります。