| Tubes autour de l'axe des ordonnées | |
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| Pappus |
Leçon
La théorie — La méthode des tubes
La rotation du domaine situé sous y = h(x), pour a ≤ x ≤ b, autour de l'axe des ordonnées engendre un solide dont le volume s'exprime par V = 2π∫ₐᵇ x h(x) dx grâce aux tubes cylindriques : chaque bande élémentaire en x balaie un mince cylindre de rayon x, de hauteur h(x) et d'épaisseur dx.
Ce que signifie chaque symbole
h(x)- la hauteur du domaine en x, bord supérieur moins bord inférieur
x- le rayon du tube : sa distance à l'axe de rotation
D’où vient la formule
- Un tube élémentaire. Une fois déroulé, un mince cylindre de rayon x, de hauteur h et d'épaisseur Δx forme une plaque quasi plane de longueur 2πx et de hauteur h, ce qui donne un volume voisin de 2πx·h·Δx.
- Sommer les tubes. Additionnez les bandes et faites tendre Δx vers zéro.
Problèmes entièrement résolus
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Le même solide, deux méthodes 2 étapes
On fait tourner le domaine sous y = x² sur [0, 1] autour de l'axe des ordonnées. Calculez le volume par les tubes et par les rondelles.
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Par les tubes : rayon x, hauteur x².
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Par les rondelles : selon l'axe y, le domaine s'étend de x = √y jusqu'à x = 1.
Réponse
π/2 ≈ 1,5708 par les deux méthodes.
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Quand les tubes s'imposent 2 étapes
Faites tourner le domaine situé sous y = sin x sur [0, π] autour de l'axe des ordonnées. Calculez le volume.
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Par les tubes : rayon x, hauteur sin x.
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Intégration par parties de ∫x sin x dx avec u = x, dv = sin x dx :
Réponse
2π² ≈ 19,7392. Par les rondelles, il faudrait intégrer arcsin y, raison pour laquelle personne ne s'y aventure.
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Un domaine entre deux courbes 1 étapes
On fait tourner le domaine compris entre y = x et y = x² sur [0, 1] autour de l'axe des ordonnées. Calculez le volume.
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Par les tubes : rayon x, hauteur x − x².
Réponse
π/6 ≈ 0,5236.
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Un tore 2 étapes
On fait tourner le disque (x − 2)² + y² ≤ 1 autour de l'axe des ordonnées. Calculez le volume.
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Par le théorème de Pappus : l'aire multipliée par la distance parcourue par le centre.
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Par les tubes, la hauteur en x vaut 2√(1 − (x − 2)²) :
Réponse
4π² ≈ 39,4784. L'intégrale par les tubes exige un changement de variable et l'aire d'un demi-disque ; Pappus conclut en une seule ligne.
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Une racine par les tubes 1 étapes
On fait tourner le domaine sous y = √x sur [0, 4] autour de l'axe des ordonnées. Calculez le volume.
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Par les tubes : rayon x et hauteur √x, de sorte que l'expression à intégrer est une simple puissance de x.
Réponse
128π/5 ≈ 80,4248.
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Des tubes autour de l'axe des abscisses 2 étapes
Utilisez la méthode des tubes pour calculer le volume obtenu par rotation du domaine sous y = x² sur [0, 1] autour de l'axe des abscisses.
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Autour de l'axe des abscisses, les tubes s'étirent le long de x : leur rayon vaut y et leur longueur va de x = √y à x = 1.
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Vérification par les disques :
Réponse
π/5 ≈ 0,6283 par les deux méthodes. Les tubes sont toujours parallèles à l'axe de rotation, et leur rayon correspond à la distance qui les en sépare.
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Parcours
Applications de l'intégration
Références (3)
- The method of cylindrical shells as the page uses it (equation 6.6, V = ∫ₐᵇ 2πx f(x) dx about the y-axis), and the section's own comparison of shells with discs and washers, the choice depending on which integral is easier: G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 6.3, “Volumes of Revolution: Cylindrical Shells”.
- Insight block 3: Theorem 6.14, Theorem of Pappus for Volume (a region turned about a line that does not meet it has volume equal to its area times the distance its centroid travels): G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 6.6, “Moments and Centers of Mass”.
- Insight block 3: the attribution, “what is now known as Guldin's theorem was proved by Pappus in Book VII of the Mathematical Collection”, the Collection “thought to have been written in around 340”, and Guldin's publication in 1640: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Pappus of Alexandria”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated April 1999).