\int^3_2[x]\ dx\quad([\ ]:ガウス記号)
この定積分はどのような値となるでしょうか?
[x](この関数は床関数といい、\lfloor
x\rfloorとも書きます。)の値は以下のように決まります。
\begin{align*}n\leqq x<n+1&\quad(n:整数)のとき\\
[x]&=n\end{align*}
すなわち、[x]の値はx以下の最大の整数となります。
したがって、積分区間2\leqq x\leqq3において[x]の値は
この場合分けに従って上記の定積分を2つに分けて考えます。
[x]=\begin{cases}2&(2\leqq
x<3)&\cdots(\mathrm{i})\\[0.5em]3&(x=3)&\cdots(\mathrm{ii})\end{cases}
となります。この場合分けに従って上記の定積分を2つに分けて考えます。
しかし、ここで注意したいのは積分可能なのは閉区間a\leqq x\leqq
bで関数が連続な場合ということです。
[x]は\mathrm{(i)}の区間2\leqq x<3で連続ではありますが、閉区間でないので積分可能ではありません。
そこで広義積分(の異常積分)をもちいます。
[x]は\mathrm{(i)}の区間2\leqq x<3で連続ではありますが、閉区間でないので積分可能ではありません。
そこで広義積分(の異常積分)をもちいます。
\begin{align*}\int^3_2[x]\
dx&=\lim_{\varepsilon\to-0}\int^{3+\varepsilon}_2 [x]\ dx+\int^3_3 [x]\
dx\\[0.5em]&=\lim_{\varepsilon\to-0}\int^{3+\varepsilon}_2 2\
dx+\int^3_3 3\
dx\\[0.5em]&=\lim_{\varepsilon\to-0}\Bigl[2x\Bigr]^{3+\varepsilon}_2+0\\[0.5em]&=\lim_{\varepsilon\to-0}\bigl\{2(3+\varepsilon)-2\cdot2\bigr\}\\[0.5em]&=6-4\\[0.5em]&=2\end{align*}
上記途中式の1行目、最初の項が(i)の積分にあたり、異常積分をもちいています。最後の項が(ii)の定積分にあたります。
この結果から
\int^3_2[x]\ dx=\int^3_2 2\ dx
が成り立つことがわかります。
また、これを一般化して積分区間n\leqq x\leqq n+1の定積分について
\int^{n+1}_n[x]\ dx=\int^{n+1}_n n\ dx
が成り立ちます。
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