(1) x 軸を中心とする回転体の体積と面積

区間 0 〜 x において
と x 軸によって囲まれる部分を x 軸を中心として 360度回転してできる立体の体積と表面積を求めてみましょう。その立体の微小区間
おいては、微小体積 :

微小表面積 :

これらをアナログ的に総計して、
求める体積 =

求める表面積 =

具体例として、 半径 r の球の場合を考えましょう。
区間 x = 0 〜 2r の第1象限に存在する x 軸上に中心がある半径 r の半円を回転してできる球の場合です。

半径 r の球の体積 :

半径 r の球の表面積 :


と x 軸 とで囲まれる部分を y 軸中心に回転させてできる立体の体積は、 「 バウムクーヘン分割積分 」 によって求めることができます。この方法は、 立体をバウムクーヘンの層のように無数に分解し、 展開した長方形的直方体 ( カンナで削られた極薄い板 ) の 面積 × 微小厚さ = 微小体積 を無数に加えて求める方法です。
展開した長方形の面積の横の長さ = 2πx
展開した長方形の面積の縦の長さ =
展開した長方形の微小の厚さ =

したがって、 回転体の体積は

例 :

赤色の曲線は y = x 2 で表される放物線です。 水色で塗られた部分は 0 ≦ x ≦ 2 の範囲になります。
水色で塗られた部分を y 軸を中心に 360 度 回転させてできる回転体の体積を求めましょう。

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2 ≦ x ≦ 4 かつ 0 ≦ y ≦ 2 は2次元直交 x y 座標系のある場所に存在する正方形を表します。この図形を y 軸を中心にして 360 度回転してできる回転体の体積( V )は次のようになります。
V = ( 2 × 2 ) × ( 2π × 3 ) =→ 24π
( 2 × 2 ) は 正方形の面積 で、 ( 2π × 3 ) は 正方形の重心を 360 度回したときの道のり です。パップスギュルダンの定理は、バウムクーヘン分割積分を 重心の回転軸からの距離 を用いて表したものです。
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