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バームクーヘン分割なら y 軸まわりの回転体が 1 本の積分で書ける

と 軸で囲まれた部分を 軸のまわりに 1 回転させます。 の山を縦の軸で回した立体。

断面で切る解き方だと、 を について解くところで止まります。山の左半分と右半分で別々の式になり、積分も 2 つに割れる。

薄い筒を 1 枚ずつ重ねる数え方なら、割らずに 1 本の積分で書けます。年輪の形に似ているため、バームクーヘン分割と呼ばれます。円筒分割ということもある。

筒 1 枚の体積

半径 の位置に、厚み 、高さ の薄い筒を立てます。外側の円柱から内側の円柱を抜いた形。

は より桁が 1 つ小さく、厚みを薄くしていくと先に消えます。

切り開いて平らにしても同じ値になる。縦が 、横が円周の 、厚みが の板です。

中空円柱として計算する

厚みが薄くなくても、外と内の半径が決まっていれば体積は引き算で求められます。

軸からいちばん遠い辺までを長半径 、いちばん近い辺までを短半径 、高さを とする。

、、 なら です。

この形をどんどん薄くして、半径の違うものを重ねたものが回転体になります。

足し上げると積分になる

で、 の範囲で とします。 と 軸で囲まれた部分を 軸のまわりに回した立体の体積は次のとおり。

高さが 、半径が 、厚みが 。筒 1 枚の を から まで足しています。

をかけ忘れた は、半径を無視した式になる。外側の筒ほど体積が大きいことが式に入りません。

高さ f(x) の薄い長方形をとる

y 軸のまわりに回して筒にする

筒 1 枚の体積 2πx f(x) dx を足す

例 1:

の部分を 軸のまわりに回します。

半径 に高さ をかけただけで、あとは多項式の積分になりました。

例 2:断面で切って確かめる

例 1 の立体は、 軸に垂直な断面でも切れます。 から と書けるためです。

断面は半径 の円で、面積は 。

例 1 と同じ になりました。どちらでも解ける問題を選んで突き合わせると、 や のつけ忘れがその場で見つかります。

例 3:

冒頭の立体を計算します。 で 。

部分積分で の次数を下げる。 です。

断面で切る解き方では、 を で表すところから始まります。 の側と の側で式が分かれ、円環の内側と外側を別々に書くことになる。

例 4:2 つの曲線ではさまれた部分

と で囲まれた部分を 軸のまわりに回します。 で 。

筒の高さは上と下の差で、 です。

はさまれた部分でも、変わるのは高さの読み方だけ。半径はどちらの曲線を見ても のままです。

例 5:

の部分を 軸のまわりに回します。

半径の と高さの が打ち消し合い、中身が になりました。

軸に垂直な断面で切ると、 では外側の半径が 、 では です。境目で式がいれかわる。

例 6:ドーナツの体積

中心が 、半径 の円を 軸のまわりに回します。 とする。

半径 の筒の高さは、円の上半分と下半分の差です。

と置きます。 で、 の範囲では だから根号が外れる。

根号と から が 1 つずつ現れて、 になります。

は奇関数で、対称な区間の積分が になります。残るのは の項だけ。

面積と重心の道のりの積

を と読み直せます。もとの円の面積と、その中心が 1 周で動く道のりの積。

平面図形を、それと交わらない軸のまわりに回すとき、体積は図形の面積と重心の動いた道のりの積になります[3]。パップスの定理と呼ばれるものです。

重心が軸から だけ離れていれば、1 周で動く道のりは 。面積を とすると体積は です。

重心の位置が見て分かる図形なら、その場で確かめられます。

長方形(縦 、横 )を縦の辺のまわりに、円柱
直角三角形(底辺 、高さ )を高さの辺のまわりに、円錐
円(半径 )を だけ離して、ドーナツ

長方形と円の重心は中心、三角形の重心は 3 つの頂点の平均です。どれも円柱と円錐とドーナツの体積に合っています。

軸が 軸でないとき

回転軸が直線 なら、筒の半径は ではなく と の距離です。

図形が軸の右側にあるなら 、左側にあるなら 。絶対値を外してから積分します。

例 1 の図形を のまわりに回すなら、半径は になる。

どちらで解くか

断面で切る

軸に垂直な面で切り、 を で積分する。 を の式に直せることが前提

筒を重ねる

軸に平行な長方形を回し、 を で積分する。 のまま計算できる

を で表せる形なら、どちらでも解けます。表せない形、または表すと場合分けが生まれる形で、筒のほうが効いてくる[1,2]。

や のように、山が 1 つあって左右で式が分かれるものがその例です。

つまずきやすいところ

半径の をかけ忘れる。 は側面積の式で、体積ではありません。
を と書く。筒を開いた板の横の長さは円周にあたり、 が正しい。
高さを とする。2 乗が現れるのは断面が円になる解き方のほう。
積分区間に の部分が入る。半径は距離にあたるため、負の側は で測る。
はさまれた部分で高さを片方だけにする。高さは 2 つの曲線の差。

、、 軸で囲まれた部分を 軸のまわりに回した立体の体積はどれですか。

__RESULT__

です。 は 軸のまわりに回した の値で、回す軸が違います。

半径 、高さ 、厚み の薄い筒 1 枚の体積に、いちばん近いものはどれですか。

__RESULT__

外側の円柱から内側の円柱を抜くと になり、 を落とした形です。 は中身の詰まった円柱、 は厚みのない側面積になります。

半径を 、高さを と読み、 を足し上げる。 を の式に直さずに済むぶん、山が左右に分かれる形でも 1 本の積分に収まります。

参考

Ryan C. Daileda. *Volumes by Cylindrical Shells*. Calculus II, Trinity University.
Volumes of Revolution: Cylindrical Shells. Calculus Volume 1, OpenStax.
Pappus's Centroid Theorem. Wolfram MathWorld.
$y = \sin x$ の山を $y$ 軸のまわりに回した立体の体積は $2\pi^2$。断面で切ると $x$ を $y$ で表すところで式が左右に分かれますが、半径 $x$、高さ $f(x)$、厚み $dx$ の薄い筒を重ねれば $2\pi\displaystyle\int_a^b x f(x)\,dx$ の 1 本で書けます。筒を切り開くと縦が $f(x)$、横が円周の $2\pi x$ の板になる。放物線、2 曲線ではさまれた部分、$\dfrac{1}{x}$、回転軸が $x = c$ の場合まで例を並べ、断面で切った値との突き合わせも入れました。ドーナツの体積 $2\pi^2 R r^2$ は、もとの円の面積と中心が動く道のりの積。