【微分積分】8-5-4 図形の重心と回転体の体積|要点まとめ
のページでは、大学数学の微分積分で扱う「回転体の側面積」について解説します。曲線\(y=f(x)\)を\(x\)軸のまわりに回転させてできる回転面の公式を整理し、実践的な例題(\(\sin x\)の回転面)と丁寧な解答・解説を掲載しています。
図形の重心
【平面図形の重心】
密度が\(\rho(x,y)\)である平面図形\(D\)に対して
\(\displaystyle M=\iint_D\rho(x,y)dxdy\)
を\(D\)の質量という。また
\(\displaystyle x_G=\frac{1}{M}\iint_Dx\rho(x,y)dxdy\)
\(\displaystyle y_G=\frac{1}{M}\iint_Dy\rho(x,y)dxdy\)
とおき、点\((x_G,y_G)\)を\(D\)の重心という。
【例題】密度が一定であるとき、次の平面図形\(D\)の重心を求めなさい。
\(\displaystyle |D|=\frac{\pi a^2}{2}\)
図形の対称性より\(x_G=0\)
\(\displaystyle y_G=\frac{1}{|D|}\iint_Dydxdy\)
\(\displaystyle =\frac{2}{\pi a^2}\int_{-a}^a\int_0^\sqrt{a^2-x^2}ydydx\)
\(\displaystyle =\frac{2}{\pi a^2}\int_{-a}^a\frac{a^2-x^2}{2}dx\)
\(\displaystyle =\frac{4a}{3\pi}\)
よって、重心の座標は\(\displaystyle \left(0,\frac{4a}{3\pi}\right)\)
\(\displaystyle |D|=\frac{1}{2}a^2・2\alpha=a^2\alpha\)
図形の対称性より\(y_G=0\)
\(D\)を極座標変換すると
\(\displaystyle E=\{(r,\theta)|0\leqq r\leqq a,-\alpha\leqq \theta\leqq \alpha\}\)
\(\displaystyle x_G=\frac{1}{|D|}\iint_Dxdxdy\)
\(\displaystyle =\frac{1}{a^2\alpha}\iint_Er\cos\theta・rdrd\theta\)
\(\displaystyle =\frac{1}{a^2\alpha}\int_0^ar^2dr\int_{-\alpha}^\alpha\cos\theta d\theta\)
\(\displaystyle =\frac{2a\sin\alpha}{3\alpha}\)
よって、重心の座標は\(\displaystyle \left(\frac{2a\sin\alpha}{3\alpha},0\right)\)
\(\displaystyle |D|=\int_0^1(1-\sqrt{x})^2dx=\frac{1}{6}\)
\(\displaystyle x_G=\frac{1}{|D|}\iint_Dxdxdy\)
\(\displaystyle =6\int_0^1\int_0^{(1-\sqrt{x})^2}xdydx\)
\(\displaystyle =6\int_0^1(x-2x^\frac{3}{2}+x^2)dx\)
\(\displaystyle =\frac{1}{5}\)
図形\(D\)は\(y=x\)に関して対称なので\(\displaystyle y_G=\frac{1}{5}\)
よって、重心の座標は\(\displaystyle \left(\frac{1}{5},\frac{1}{5}\right)\)
回転体の体積
【パップス・ギュルダンの定理】
平面内に図形\(D\)と\(D\)を通らない直線\(l\)があるとき、\(D\)を\(l\)のまわりで1回転させた回転体の体積を\(V\)、\(D\)の重心から回転軸\(l\)までの距離を\(r\)とすれば
\(V=2\pi r|D|\)
が成り立つ。
【バウムクーヘン分割】
\(0\leqq a< b\)とし、関数\(f(x)\)は\([a,b]\)上で連続で、\(f(x,y)\geqq0\)とする。このとき、曲線\(y=f(x)\)および\(x\)軸と直線\(x=a,x=b\)で囲まれた部分\(D\)を\(y\)軸のまわりで1回転させてできる回転体の体積\(V\)は
\(\displaystyle V=2\pi \int_a^bxf(x)dx\)
で与えられる。
【空間図形の重心】
密度が\(\rho(x,y,z)\)である空間図形\(D\)に対して
\(\displaystyle M=\iiint_D\rho(x,y,z)dxdydz\)
を\(D\)の質量という。また
\(\displaystyle x_G=\frac{1}{M}\iiint_Dx\rho(x,y,z)dxdydz\)
\(\displaystyle y_G=\frac{1}{M}\iiint_Dy\rho(x,y,z)dxdydz\)
\(\displaystyle z_G=\frac{1}{M}\iiint_Dz\rho(x,y,z)dxdydz\)
とおき、点\((x_G,y_G,z_G)\)を\(D\)の重心という。
【例題】密度が一定であるとき、次の空間図形\(D\)の重心を求めなさい。
\(\displaystyle |D|=\frac{2\pi a^3}{3}\)
図形の対称性より\(x_G=y_G=0\)
\(\displaystyle z_G=\frac{1}{|D|}\iiint_Dzdxdydz\)
\(\displaystyle =\frac{3}{2\pi a^3}\int_0^a\iint_{D_z}zdxdydz\)
\(\displaystyle =\frac{3}{2\pi a^3}\int_0^a\pi z(a^2-z^2)dz\)
\(\displaystyle =\frac{3a}{8}\)
よって、重心の座標は\(\displaystyle \left(0,0,\frac{3a}{8}\right)\)
\(D\)の体積は
\(\displaystyle |D|=\frac{\pi a^2h}{3}\)
図形の対称性より\(x_G=y_G=0\)
\(\displaystyle z_G=\frac{1}{|D|}\iiint_Dzdxdydz\)
\(\displaystyle =\frac{3}{\pi a^2h}\int_0^h\iint_{D_z}zdxdydz\)
\(\displaystyle =\frac{3}{\pi a^2h}\int_0^h\pi z\frac{(h-z)^2a^2}{h^2}dz\)
\(\displaystyle =\frac{h}{4}\)
よって、重心の座標は\(\displaystyle \left(0,0,\frac{h}{4}\right)\)