二重積分計算機

AI による step-by-step の解説付きで、長方形・一般・極座標の領域上の二重積分を評価します
double integral of x*y over [0,1]x[0,2]
double integral of x^2+y^2 over unit disk in polar
double integral of e^(x+y) over [0,1]x[0,1]
double integral of y dA over triangle with vertices (0,0),(1,0),(0,1)

二重積分とは何か?

二重積分は、関数 f(x,y)f(x, y) を2次元の領域 DD 上で蓄積を計算します。

∬Df(x,y) dA\iint_D f(x,y)\,dA

ここで dAdA は微小面積要素です。デカルト座標では dA=dx dydA = dx\,dy、極座標では dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta です。

よくある物理的意味:

  • f(x,y)=1f(x,y) = 1 は DD の面積を与えます。
  • f(x,y)=h(x,y)f(x,y) = h(x,y)(高さ関数)は DD の上の曲面 z=h(x,y)z = h(x,y) の下の体積を与えます。
  • f=ρ(x,y)f = \rho(x,y)(面密度)は薄い板の質量を与えます。

重要な技術は、座標を選び、境界を設定し、フビニの定理を使って反復1重積分として評価することです。

二重積分の評価方法

フビニの定理

長方形 D=[a,b]×[c,d]D = [a, b] \times [c, d] 上の連続関数 ff について:

∬Df dA=∫ab∫cdf(x,y) dy dx=∫cd∫abf(x,y) dx dy\iint_D f\,dA = \int_a^b \int_c^d f(x,y)\,dy\,dx = \int_c^d \int_a^b f(x,y)\,dx\,dy

どちらの順序でも成り立つので、積分しやすい方を選びます。

タイプ I とタイプ II の領域

タイプ I(yy が xx の曲線で挟まれる):

D={(x,y):a≤x≤b, g1(x)≤y≤g2(x)}D = \{(x,y) : a \leq x \leq b,\ g_1(x) \leq y \leq g_2(x)\}

∬Df dA=∫ab∫g1(x)g2(x)f(x,y) dy dx\iint_D f\,dA = \int_a^b \int_{g_1(x)}^{g_2(x)} f(x,y)\,dy\,dx

タイプ II(xx が yy の曲線で挟まれる):

D={(x,y):c≤y≤d, h1(y)≤x≤h2(y)}D = \{(x,y) : c \leq y \leq d,\ h_1(y) \leq x \leq h_2(y)\}

∬Df dA=∫cd∫h1(y)h2(y)f(x,y) dx dy\iint_D f\,dA = \int_c^d \int_{h_1(y)}^{h_2(y)} f(x,y)\,dx\,dy

極座標

円対称の領域では、x=rcos⁡θx = r\cos\theta、y=rsin⁡θy = r\sin\theta、dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta を使います。

∬Df(x,y) dA=∬Df(rcos⁡θ,rsin⁡θ) r dr dθ\iint_D f(x,y)\,dA = \iint_D f(r\cos\theta, r\sin\theta)\,r\,dr\,d\theta

ヤコビアンによる因子 rr は不可欠です — これを忘れるのが最も多い誤りです。

いつ積分の順序を入れ替えるか

内側の積分が手に負えなくなった場合(例:∫ex2 dx\int e^{x^2}\,dx には初等的な原始関数がない)、積分の順序を入れ替えると問題が解けるようになることがよくあります。まず領域をスケッチして、別の順序での同等な境界を見つけます。

よくある間違い

  • 境界の順序の誤り:内側の境界は外側の変数に依存してよいですが、外側の境界は定数でなければなりません。逆にすると誤った答えになります。
  • 極座標のヤコビアンを忘れる:dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta であり、dr dθdr\,d\theta ではありません。
  • 領域をスケッチしない:長方形でない DD では、スケッチによりタイプ I とタイプ II が明確になります。
  • 積分不可能な内側の関数を積分しようとする:∫ex2 dx\int e^{x^2}\,dx のような非初等的な被積分関数に当たったら、諦める前に順序を入れ替えてください。
  • 負の被積分関数での符号誤り:ff が DD 上で符号を変えると、二重積分はゼロになりえます — これは正しく、「修正」すべき誤りではありません。

Examples

Step 1: 設定:∫01∫01(x2+y2) dy dx\int_0^1 \int_0^1 (x^2 + y^2)\, dy\, dx
Step 2: yy について積分:∫01(x2+y2) dy=x2⋅1+13=x2+13\int_0^1 (x^2 + y^2)\,dy = x^2 \cdot 1 + \frac{1}{3} = x^2 + \frac{1}{3}
Step 3: xx について積分:∫01(x2+13) dx=13+13=23\int_0^1 (x^2 + \frac{1}{3})\,dx = \frac{1}{3} + \frac{1}{3} = \frac{2}{3}
Answer: 23\dfrac{2}{3}

Step 1: 極座標に変換:x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2、dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta
Step 2: 境界:0≤r≤10 \leq r \leq 1、0≤θ≤2π0 \leq \theta \leq 2\pi
Step 3: 積分は次のようになる:∫02π∫01r2⋅r dr dθ=∫02π∫01r3 dr dθ\int_0^{2\pi} \int_0^1 r^2 \cdot r\, dr\, d\theta = \int_0^{2\pi} \int_0^1 r^3\, dr\, d\theta
Step 4: 内側:∫01r3 dr=14\int_0^1 r^3\,dr = \frac{1}{4}
Step 5: 外側:∫02π14 dθ=π2\int_0^{2\pi} \frac{1}{4}\,d\theta = \frac{\pi}{2}
Answer: π2\dfrac{\pi}{2}

Step 1: 領域:0≤x≤10 \leq x \leq 1 かつ 0≤y≤1−x0 \leq y \leq 1 - x(タイプ I)
Step 2: 設定:∫01∫01−xy dy dx\int_0^1 \int_0^{1-x} y\,dy\,dx
Step 3: 内側:∫01−xy dy=(1−x)22\int_0^{1-x} y\,dy = \frac{(1-x)^2}{2}
Step 4: 外側:∫01(1−x)22 dx=12⋅(1−x)3−3∣01=16\int_0^1 \frac{(1-x)^2}{2}\,dx = \frac{1}{2} \cdot \frac{(1-x)^3}{-3}\Big|_0^1 = \frac{1}{6}
Answer: 16\dfrac{1}{6}

Frequently Asked Questions

領域や被積分関数が円対称のとき — 円板、円環、扇形、x²+y² の関数 — に極座標を使います。ヤコビアン r がしばしば因子を打ち消して被積分関数を簡単にします。

フビニの定理は、長方形上(または積分が絶対収束する任意の領域)の連続関数について、二重積分が反復積分に等しく、積分の順序を結果を変えずに入れ替えられることを述べています。

領域 D をスケッチします。タイプ I とタイプ II の同等な記述を見つけます — つまり、y を x の曲線で挟む代わりに x を y の曲線で挟んで同じ領域を表します。新しい境界で積分を書き直します。

因子 r は (x,y) から (r,θ) への変換のヤコビアン行列式から来ます。幾何学的には、薄い極座標の「くさび」の面積は単なる dr·dθ ではなく r·dr·dθ です。

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