【高校数学Ⅲ】6-1-2 体積|要点まとめ
このページでは、高校数学Ⅲの「体積」について整理しています。定積分を用いた基本的な体積の求め方や回転体の体積の計算方法を、例題を通して基礎から応用までわかりやすく解説します。入試問題にも対応できる実践力を養いましょう。
定積分を用いた体積の計算
【体積】
\(x\)軸と垂直に交わる平面の切り口の面積を\(S(x)\)とする。区間\([a,b]\)における立体の体積\(V\)は
\(\displaystyle V=\int_a^b S(x)dx\)
【例題】\(xy\)平面に曲線\(y=x(1-x)(0\leqq x\leqq1)\)があり、この曲線上の点\(P(x,x(1-x))\)から\(x\)軸に垂線\(PQ\)を引く。ここで、\(PQ=PR,PQ\perp PR\)となり、\(z\)座標が正となる点\(R\)を\(x\)軸に垂直な平面上にとり、直角二等辺三角形\(PQR\)を考える。点\(Q\)が\(x\)軸上の原点\(O\)から点\((1,0)\)まで動くとき、この直角二等辺三角形が通過してできる立体の体積\(V\)を求めなさい。
直角二等辺三角形\(PQR\)の面積を\(S(x)\)とすると、
\(\displaystyle S(x)=\frac{1}{2}\{x(1-x)\}^2\)
\(\displaystyle =\frac{1}{2}x^2(1-x)^2\)
よって、求める体積\(V\)は
\(\displaystyle V=\int_0^1 S(x)dx\)
\(\displaystyle =\int_0^1 \frac{1}{2}x^2(1-x)^2dx\)
\(\displaystyle =\frac{1}{2}\int_0^1 (x^4-2x^3+x^2)dx\)
\(\displaystyle =\frac{1}{2}\left[\frac{1}{5}x^5-\frac{1}{2}x^4+\frac{1}{3}x^3\right]_0^1\)
\(\displaystyle =\frac{1}{2}\left(\frac{1}{5}-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}\right)\)
\(\displaystyle =\frac{1}{60}\)
回転体の体積の求め方
【回転体の体積】
曲線\(y=f(x)\)と\(x\)軸で囲まれた図形を\(x\)軸の周りに\(1\)回転してできる回転体の体積\(V\)は
\(\displaystyle V=\pi\int_a^b \{f(x)\}^2dx\)
【例題】次の図形を\(x\)軸のまわりに\(1\)回転してできる立体の体積\(V\)を求めなさい。
(1)曲線\(y=\sin x(0\leqq x\leqq\pi)\)と\(x\)軸で囲まれた図形
求める体積\(V\)は
\(\displaystyle V=\pi\int_0^\pi y^2dx\)
\(\displaystyle =\pi\int_0^\pi \sin^2xdx\)
\(\displaystyle =\pi\int_0^\pi \frac{1-\cos2x}{2}dx\)
\(\displaystyle =\frac{\pi}{2}\left[x-\frac{1}{2}\sin2x\right]_0^\pi\)
\(\displaystyle =\frac{\pi^2}{2}\)
(2)円\(x^2+(y-2)^2=1\)で囲まれた図形
\(x^2+(y-2)^2=1\)より、\(y=2\pm\sqrt{1-x^2}\)
\(y_1=2+\sqrt{1-x^2}\)の回転体の体積を\(V_1\)
\(y_2=2-\sqrt{1-x^2}\)の回転体の体積を\(V_2\)
求める体積\(V\)は
\(\displaystyle V=V_1-V_2\)
\(\displaystyle =\pi\int_{-1}^1 (2+\sqrt{1-x^2})^2dx\)
\(\displaystyle \ \ \ -\pi\int_{-1}^1 (2-\sqrt{1-x^2})^2dx\)
\(\displaystyle =\pi\int_{-1}^1 4・2\sqrt{1-x^2}dx\)
\(\displaystyle =16\pi\int_0^1 \sqrt{1-x^2}dx\)
\(x=\sin\theta\)とおくと、\(dx=\cos\theta d\theta\)なので、
\(\displaystyle =16\pi\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta・\cos\theta d\theta\)
\(\displaystyle =16\pi\int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{1+\cos2\theta}{2} d\theta\)
\(\displaystyle =8\pi\left[\theta+\frac{1}{2}\sin2\theta\right]_0^{\frac{\pi}{2}}\)
\(=4\pi^2\)
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