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曲線を回した体積を積分で出す

曲線を回した体積を積分で出す全5問
① 考えてみよう

曲線 y=x2y=\frac{\sqrt{x}}{2}(0≤x≤40\le x\le4)を xx軸のまわりに1回転させると、こんな『おわん』の形ができるよ。この立体の体積を求めたいんだ。

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アニメを見なくても、このページの流れを最後まで文章で追えるよ。

  1. ① 考えてみよう
  2. 1

    曲線 y=x2y=\frac{\sqrt{x}}{2}(0≤x≤40\le x\le4)を xx軸のまわりに1回転させると、こんな『おわん』の形ができるよ。この立体の体積を求めたいんだ。

  3. 2

    母線が曲線だから、円錐みたいな公式がそのままは使えないね。うすい円板に切って足したら、体積はいくつに近づくと思う?

  4. ② 考え方
  5. 3

    位置 xx でスパッと切ると、切り口は半径 r=x2r=\frac{\sqrt{x}}{2} の円。その断面積は S=πr2=π(x2)2=πx4S=\pi r^2=\pi(\frac{\sqrt{x}}{2})^2=\frac{\pi x}{4}。じつは xx に比例する、まっすぐな線になるんだ。

  6. 4

    厚さ Δx\Delta x のうすい円板1枚の体積は、断面積×厚さ =S×Δx=S\times\Delta x。これが短冊1本ぶん。まずは幅広の短冊で右端の高さを使ってざっくり積むよ。

  7. 5

    いまは短冊が三角形(=本当の体積 SS の下の面積)からはみ出して、近似は大きめだね。円板を増やして薄くすると、このはみ出しが小さくなっていくよ。

  8. 6

    16枚では約6.7。右端の高さで測っているぶんまだ少し大きめだけど、薄くするほど和は本当の体積 2π≈6.282\pi\approx6.28 へ近づいていく。これが ∫04πx4 dx\int_0^4\frac{\pi x}{4}\,dx = 回転体の体積だよ。

  9. ③ 解答
  10. 7

    確かめよう。この立体をぴったり囲む円柱(底面の半径1・高さ4)は π⋅12⋅4=4π\pi\cdot1^2\cdot4=4\pi。回転体はそのちょうど半分の 2π2\pi。短冊を限りなく細くした先が、この 2π2\pi なんだ。

  11. 8

    母線が直線でも曲線でも、やることは同じ。切り口の面積 S=πy2S=\pi y^2 を積み上げる(∫πy2dx\int\pi y^2 dx)だけ。断面積の積分で体積が出る、これがディスク法の使いどころだよ。

答案の書き方(記述例)

解き方がわかったら、次は答案に書く番。テストの解答用紙には、こんなふうに書けば伝わるよ。

曲線 y=x2y = \frac{\sqrt{x}}{2}、xx 軸、直線 x=4x = 4 で囲まれた部分を xx 軸のまわりに1回転させてできる立体の体積を VV とする。

xx 軸に垂直な平面で位置 xx で切ると、切り口は半径 x2\frac{\sqrt{x}}{2} の円なので、断面積は π(x2)2=πx4\pi\left(\frac{\sqrt{x}}{2}\right)^2 = \frac{\pi x}{4}

回転体の体積は断面積を積分して求められるので V=π∫04y2 dx=∫04πx4 dxV = \pi\int_{0}^{4} y^2\,dx = \int_{0}^{4} \frac{\pi x}{4}\,dx

=π4[x22]04=π4×8=2π= \frac{\pi}{4}\left[\frac{x^2}{2}\right]_{0}^{4} = \frac{\pi}{4} \times 8 = 2\pi

(確かめ)この立体をぴったり囲む、底面の半径 11・高さ 44 の円柱の体積は π×12×4=4π\pi \times 1^2 \times 4 = 4\pi である。断面積 πx4\frac{\pi x}{4} は xx に比例して 00 から π\pi まで一様に増えるので、平均は円柱の断面積 π\pi の半分になり、VV は円柱のちょうど半分の 2π2\pi になる。

答え 2π2\pi

減点されやすいポイント

母線が曲線でも、切り口の円の面積 πy2\pi y^2 を積分する手順は円錐のときと同じだよ。囲む円柱の 4π4\pi のままにしたり、円錐と同じだと思って 13\frac{1}{3} を掛けて 4π3\frac{4\pi}{3} にしたりするのが定番のまちがいだね。y2=x4y^2 = \frac{x}{4} と先に2乗しておくと、根号が消えて計算が楽になるよ。

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