座標空間内に 点 , , をとり, を線分 の中点とする。三角形 の周および内部を 軸のまわりに 回転させて得られる立体の体積を求めよ。
, , はどれも を満たします。 は の中点 ですから、これも同じ平面の上です。
そこで三角形の点を と書きます。 の内部と周は、、、 の 3 つで表せます。
確かめてみます。 は 、 は 、 は で、 が と を結ぶ辺になります。
のまわりに回すので、 を止めて切った断面を見ていきます。 と置くと、切り口では です。
ですから、切り口は を動かした線分です。 より 、 より となります。
つまり 。 が から まで動くと は から まで動き、切り口の長さもそれにつれて変わります。
軸からの距離は です。2 乗すると で、 の 2 次式になります。
この 2 次式は で最小 、両端へ行くほど大きくなります。回したときの内側の縁と外側の縁が、この最小と最大です。
線分を軸のまわりに回すと、いちばん近い点といちばん遠い点のあいだが埋まって、輪(ドーナツの切り口)になります。外側の半径を 、内側の半径を と書けば、面積は です。
の上限が 以上なら、最小の に届きます。これは のときです。最大は の ですから、面積は となります。
では上限 が より手前で切れるので、最小は端の値 です。面積は です。
では両方の式が になり、つながっています。(点 のところ)では です。
で積分するかわりに で積分します。向きが逆になるだけで、 は から まで動きます。
前半は です。
後半は です。
たして 。これが求める体積です。