座標空間内の点 と点 を結ぶ線分 を 軸のまわりに 回転させて得られる曲面を とする。 上の点 と 平面上の点 が を満たしながら動くとき,線分 の中点 が通過しうる範囲を とする。 の体積を求めよ。
線分 上の点は ()と書けます。高さ のところで、軸からの距離はちょうど です。
これを回すので は 、 の円錐面です。頂点が で、 の底の縁で半径 になります。
の高さを とすると、 は半径 の円の上を自由に回れます。 は から までです。
は 平面の点で ですから、真上から見た と の距離は です。 が上がるほど は縮み、 で になります。
は の中点ですから、高さは です。これを と置くと、 は から まで動きます。
高さを決めれば が決まり、 も も決まります。高さごとに切って足せばよい形です。
真上から見ると の位置は の位置に の長さのベクトルを足したものです。 が のまわりを回るので、足すベクトルの向きは自由です。
つまり長さ のベクトルと長さ のベクトルを、向きを自由に選んで足したものが の位置になります。
つのベクトルを足してできる長さは、向きがそろったときの から、逆を向いたときの までのすべてを取ります。
ですから高さ での断面は、内半径 、外半径 の輪です。
面積は です。 乗の差なので と が消え、積だけが残ります。
、 を入れると、断面積は となります。
体積は です。 つに割ります。
は単位円の一部の面積で 、 は を置きかえて です。
差は で、 を掛けると になります。
です。断面は でいちばん広く 、 では 点に潰れます。