【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。

(1)半径が\(a\)の半円
(2)半径が\(a\)で中心角が\(2\alpha\)の扇形
(3)\(x\)軸と\(y\)軸および曲線\(\sqrt{x}+\sqrt{y}=1\)で囲まれる図形

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。

(1)半径が\(a\)の半球
(2)底面の半径が\(a\)で高さが\(h\)の直円錐
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