間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

多角形の頂点座標から面積を求める (グリーンの定理を用いて面積分を周回積分にして求める)

グリーンの定理(Green's theorem)

閉曲線\(C\)で囲まれた領域\(D\)を考える場合,\(C^1\)級凾数\(P(x, y), Q(x, y)\)について以下が成り立つ。 $$ \begin{eqnarray} \iint_D \left(\frac{\partial Q(x, y)}{\partial x}-\frac{\partial P(x, y)}{\partial y}\right)\mathrm{d}x\mathrm{d}y &=& \oint_C P(x, y)\mathrm{d}x+Q(x,y)\mathrm{d}y \end{eqnarray} $$

面積分を周回積分へ変形し,区間毎の積分に展開する

Dの面積Aは面積分で表すと $$ \begin{eqnarray} A&=&\iint_D 1\;\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{eqnarray} $$ であり,これをグリーンの定理の式で満たすために例えば $$ \begin{eqnarray} Q(x, y)&=&x \\P(x, y)&=&0 \end{eqnarray} $$ とおく(それぞれ一階微分可能で連続(\(C^1\)級凾数)).これは $$ \begin{eqnarray} \frac{\partial Q(x, y)}{\partial x}-\frac{\partial P(x, y)}{\partial y}&=&1-0 \\&=&1 \end{eqnarray} $$ となり,グリーンの定理の面積分側の被積分凾数を表現できている.
この\(P,Q\)を用いて周回積分側の 被積分凾数を求めると以下のようになる. $$ \begin{eqnarray} A&=&\iint_D 1\;\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\&=&\iint_D \left(\frac{\partial Q(x, y)}{\partial x}-\frac{\partial P(x, y)}{\partial y}\right)\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\&=&\oint_C P(x, y)\mathrm{d}x+Q(x,y)\mathrm{d}y \\&=&\oint_C 0\mathrm{d}x+x\mathrm{d}y \\&=&\oint_C x\mathrm{d}y \end{eqnarray} $$ ここで周回積分を多角形として考える.多角形の各頂点の列を以下のように与えるとする. $$ \begin{eqnarray} (x_0, y_0), (x_1, y_1),(x_2, y_2), \cdots, (x_n, y_n)=(x_0, y_0) \end{eqnarray} $$ 



周回積分を多角形の区間ごとに分割し,区間毎の積分の和として以下のようになる. $$ \begin{eqnarray} A&=&\oint_C x\mathrm{d}y \\&=&\sum_{k=1}^n \int^{(x_k, y_k)}_{(x_{k-1},y_{k-1})} x \mathrm{d}y \end{eqnarray} $$


多角形の頂点間線分(辺)に重なる直線の式を求める

多角形の各頂点において今の頂点\((x_k, y_k)\)とその前の頂点\((x_{k-1}, y_{k-1})\)とを通る直線の式は以下のように求められる. $$ \begin{eqnarray} y_-y_{k-1}&=&\frac{y_k-y_{k-1}}{x_k-x_{k-1}}\left(x-x_{k-1}\right) \;\cdots\;傾き\thetaの直線における原点を,点(p,q)へ移動した式と同じ.(y-q)=\theta(x-p) \\\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}\left(y-y_{k-1}\right)&=&x-x_{k-1} \\x-x_{k-1}&=&\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}\left(y-y_{k-1}\right) \\x&=&\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}\left(y-y_{k-1}\right)+x_{k-1} \\x&=&\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}y+\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}(-y_{k-1})+x_{k-1} \\&=&\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}y+\frac{\left(x_k-x_{k-1}\right)(-y_{k-1})+x_{k-1}\left(y_k-y_{k-1}\right)}{y_k-y_{k-1}} \\&=&\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}y+\frac{-x_ky_{k-1}\color{red}{+x_{k-1}y_{k-1}} \color{black}{+x_{k-1}y_k} \color{red}{-x_{k-1}y_{k-1}} }{y_k-y_{k-1}} \\&=&\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}y+\frac{-x_ky_{k-1}+x_{k-1}y_k}{y_k-y_{k-1}} \\&=&\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}y+\frac{x_{k-1}y_k-x_ky_{k-1}}{y_k-y_{k-1}} \end{eqnarray} $$

区間毎の積分より面積を求める

区間毎の積分の和の式における被積分凾数に,先ほど求めた直線の式を代入する. $$ \begin{eqnarray} A&=&\sum_{k=1}^n \int^{(x_k, y_k)}_{(x_{k-1},y_{k-1})} x \mathrm{d}y \\&=&\sum_{k=1}^n \int^{y_k}_{y_{k-1}} \left( \frac{x_k - x_{k-1}}{y_k - y_{k-1}}y + \frac{x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1}}{y_k - y_{k-1}} \right) \mathrm{d}y \;\cdots\;x=\frac{x_k-x_{k-1}}{y_k-y_{k-1}}y+\frac{x_{k-1}y_k-x_ky_{k-1}}{y_k-y_{k-1}} \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \int^{y_k}_{y_{k-1}} \frac{x_k - x_{k-1}}{y_k - y_{k-1}}y \mathrm{d}y + \int^{y_k}_{y_{k-1}} \frac{x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1}}{y_k - y_{k-1}} \mathrm{d}y \right\} \;\cdots\;\int_X(A(x)+B(x))\mathrm{d}x=\int_XA(x)\mathrm{d}x+\int_XB(x)\mathrm{d}x \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{x_k - x_{k-1}}{y_k - y_{k-1}}\int^{y_k}_{y_{k-1}} y \mathrm{d}y + \frac{x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1}}{y_k - y_{k-1}} \int^{y_k}_{y_{k-1}} \mathrm{d}y \right\} \;\cdots\;\int_XcA(x)\mathrm{d}x=c\int_XA(x)\mathrm{d}x \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{x_k - x_{k-1}}{y_k - y_{k-1}}\left[\frac{1}{2}y^2\right]^{y_k}_{y_{k-1}} + \frac{x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1}}{y_k - y_{k-1}} \left[y\right]^{y_k}_{y_{k-1}} \right\} \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{1}{2}\frac{x_k - x_{k-1}}{y_k - y_{k-1}}\left[y^2\right]^{y_k}_{y_{k-1}} + \frac{x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1}}{y_k - y_{k-1}} \left[y\right]^{y_k}_{y_{k-1}} \right\} \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{1}{2}\frac{x_k - x_{k-1}}{y_k - y_{k-1}}\left(y_k^2-y_{k-1}^2\right) + \frac{x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1}}{y_k - y_{k-1}} \left(y_k-y_{k-1}\right) \right\} \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{1}{2}\frac{x_k - x_{k-1}}{y_k - y_{k-1}}\left(y_k+y_{k-1}\right)\left(y_k-y_{k-1}\right) + \frac{x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1}}{y_k - y_{k-1}} \left(y_k-y_{k-1}\right) \right\} \;\cdots\;A^2-B^2=(A+B)(A-B) \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{1}{2} (x_k - x_{k-1}) \left( y_k+y_{k-1} \right) + x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1} \right\} \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{1}{2}\left( x_ky_k+x_ky_{k-1}-x_{k-1}y_k-x_{k-1}y_{k-1} \right) + x_{k-1}y_k - x_ky_{k-1} \right\} \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{1}{2} x_ky_k +\left(\frac{1}{2}-1\right)x_ky_{k-1} +\left(-\frac{1}{2}+1\right)x_{k-1}y_k -\frac{1}{2} x_{k-1}y_{k-1} \right\} \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{1}{2} x_ky_k -\frac{1}{2}x_ky_{k-1} +\frac{1}{2}x_{k-1}y_k -\frac{1}{2} x_{k-1}y_{k-1} \right\} \\&=&\sum_{k=1}^n\left\{ \frac{1}{2}\left( x_ky_k-x_ky_{k-1}+x_{k-1}y_k-x_{k-1}y_{k-1} \right) \right\} \\&=&\sum_{k=1}^n\left[ \frac{1}{2}\left\{ x_k\left(y_k-y_{k-1}\right)+x_{k-1}\left(y_k-y_{k-1}\right) \right\} \right] \\&=&\sum_{k=1}^n \frac{1}{2}\left(x_k+x_{k-1}\right)\left(y_k-y_{k-1}\right) \\&=&\frac{1}{2}\sum_{k=1}^n \left(x_k+x_{k-1}\right)\left(y_k-y_{k-1}\right) \end{eqnarray} $$ 多角形の頂点座標から,その面積が求められた.

例:正四角形

$$ \begin{eqnarray} (x_0, y_0), (x_1, y_1),(x_2, y_2), (x_3, y_3),(x_4=x_0, y_4=y_0)&=& (0, 0),(1, 0), (1, 1), (0, 1), (0,0) \end{eqnarray} $$ $$ \begin{eqnarray} A&=&\frac{1}{2}\sum_{k=1}^n \left(x_k+x_{k-1}\right)\left(y_k-y_{k-1}\right) \\&=&\frac{1}{2}\left\{ \left(x_1+x_0\right)\left(y_1-y_0\right) +\left(x_2+x_1\right)\left(y_2-y_1\right) +\left(x_3+x_2\right)\left(y_3-y_2\right) +\left(x_4+x_3\right)\left(y_4-y_3\right) \right\} \\&=&\frac{1}{2}\left\{ \left(1+0\right)\left(0-0\right) +\left(1+1\right)\left(1-0\right) +\left(0+1\right)\left(1-1\right) +\left(0+0\right)\left(0-1\right) \right\} \\&=&\frac{1}{2}\left( 0+2+0+0 \right) \\&=&\frac{1}{2}2 \\&=&1 \end{eqnarray} $$

例:二等辺三角形

$$ \begin{eqnarray} (x_0, y_0), (x_1, y_1),(x_2, y_2),(x_3=x_0, y_3=y_0)&=& (0, 0),(1, 0), (\frac{1}{2}, 1),(0, 0) \end{eqnarray} $$ $$ \begin{eqnarray} A&=&\frac{1}{2}\sum_{k=1}^n \left(x_k+x_{k-1}\right)\left(y_k-y_{k-1}\right) \\&=&\frac{1}{2}\left\{ \left(x_1+x_0\right)\left(y_1-y_0\right) +\left(x_2+x_1\right)\left(y_2-y_1\right) +\left(x_3+x_2\right)\left(y_3-y_2\right) \right\} \\&=&\frac{1}{2}\left\{ \left(1+0\right)\left(0-0\right) +\left(\frac{1}{2}+1\right)\left(1-0\right) +\left(0+\frac{1}{2}\right)\left(0-1\right) \right\} \\&=&\frac{1}{2}\left( 0+\frac{3}{2}-\frac{1}{2} \right) \\&=&\frac{1}{2}1 \\&=&\frac{1}{2} \end{eqnarray} $$

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