| 断面から求める体積 | |
|---|---|
| 円環 |
レッスン
理論 — 断面積分による体積
a ≤ x ≤ b において、立体の位置 x での断面積が A(x) であるとき、その体積は V = ∫ₐᵇ A(x) dx で与えられます。平面領域を軸のまわりに回転させると、各断面は円盤(A = πR²)または円環(A = π(R² − r²))になります。ここで R と r は回転軸からの距離です。
各記号の意味
A(x)- 軸に垂直な、位置 x における断面の面積
R, r- 回転軸から測った円環の外半径と内半径
公式の導き方
- 薄くスライスし、足し合わせる。厚み Δx の薄片の体積は A(x)Δx で近似できます。これらを足し合わせ、Δx を限りなく 0 に近づけると、総和は積分へと姿を変えます。
- 円盤と円環。領域を軸のまわりに回転させると、各断面は円盤、あるいは穴の開いた円盤(円環)になります。くり抜くのは穴の半径ではなく、穴の面積です。
全プロセスの詳細解説
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円盤:x 軸まわりの回転 1 ステップ
解答
8π ≈ 25.1327.
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円盤から導く円錐の体積公式 2 ステップ
底面の半径 r、高さ h の円錐の体積が πr²h/3 になることを示しなさい。
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頂点を原点 0 に置き、x 軸に沿って配置すると、位置 x における断面の半径は rx/h と表せます。
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円盤の断面積を積分します:
解答
πr²h/3. r = 1、h = 3 のとき、画面には 3.1416(すなわち π)が表示されます。
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円環断面の立体 1 ステップ
[0, 1] において y = x と y = x² に挟まれた領域を、x 軸のまわりに回転させてできる立体の体積を求めなさい。
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外半径は x、内半径は x² です:
解答
2π/15 ≈ 0.4189. なお、π∫(x − x²)² dx を計算すると 0.1047 になります。これが解説で注意した誤りの値です。
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別の直線のまわりの回転(円環) 2 ステップ
[0, 1] における y = x² の下側の領域を、直線 y = −1 のまわりに回転させてできる立体の体積を求めなさい。
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回転軸 y = −1 からの距離を測ると、外側の境界線までは x² + 1、穴の内側(x 軸)までは 1 になります:
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展開して積分します:
解答
13π/15 ≈ 2.7227. 半径を 1 だけずらすのを忘れると、x 軸まわりの回転体の体積である π/5 が求まってしまいます。これはまったく別の立体です。
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正方形の断面 1 ステップ
ある立体の底面は、[0, 4] における y = √x の下側の領域です。x 軸に垂直な切り口がすべて正方形であるとき、この立体の体積を求めなさい。
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位置 x における正方形の一辺の長さは √x です:
解答
8. 回転体ではないため、π は現れません。断面の幾何学形状から A(x) を決めれば、それだけで十分です。
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半円の断面 1 ステップ
ある立体の底面は円盤 x² + y² ≤ 1 です。x 軸に垂直な切り口が、弦を底辺とする半円であるとき、この立体の体積を求めなさい。
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位置 x における弦の長さは 2√(1 − x²) ですから、半円の半径は √(1 − x²) になります:
解答
2π/3 ≈ 2.0944. 断面が円である単位球と比べると、こちらは半円ですから、ちょうど単位球の半分の体積になります。
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球の体積 1 ステップ
半径 r の球の体積が 4πr³/3 になることを示しなさい。
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半円 y = √(r² − x²) を x 軸のまわりに回転させると、位置 x での断面は半径 √(r² − x²) の円盤になります。
解答
4πr³/3. アルキメデスは、外接する円柱の体積 2πr³ の 3分の2 としてこの値を導きました。
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学習の道すじ
積分の応用
参考文献 (4)
- The method as the page computes it: the slicing method, V = ∫ₐᵇ A(x) dx, derived from Riemann sums, the disk method (equation 6.3) and the washer method (equation 6.5, π[(f(x))² − (g(x))²]): G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 6.2, “Determining Volumes by Slicing”.
- Insight block 1: the cone as one third of the cylinder, first stated by Democritus, the proof attributed to Eudoxus by Archimedes in On the Sphere and Cylinder: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Eudoxus of Cnidus”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated April 1999).
- Insight block 3: Cavalieri's principle in his Geometria indivisibilibus continuorum nova quadam ratione promota (1635): J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Bonaventura Francesco Cavalieri”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated July 2014).
- Insight block 3: Zu Geng's principle, “a generalisation of what is often called Cavalieri's principle”; Zu Geng born about 450, died about 520: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Zu Geng”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated December 2003).