求積とは、積分を用いて図形の面積・体積や曲線の長さといった量を求めることです。本記事では、積分の応用として、面積の次に体積と長さを求めます。体積と長さを求めるときに共通して用いるのは、図形を細かく分割して各小片の量の近似値を足し合わせ、分割を細かくした極限を積分として表すという区分求積の考え方です。以下では、この考え方を体積と長さに適用します。
1 回転体の体積
曲線と軸で囲む領域を軸のまわりに1回転してできる立体の体積はです。この公式は、次のように導かれます。区間を分割し、各小区間に対応する薄い円盤(半径、厚さ)の体積をと近似して足し合わせます。分割を細かくした極限をとると、この近似の和は上の積分になります。各での立体の切り口は半径の円(面積)であり、上の積分は、この切り口の面積を方向に積分したものです。軸のまわりの回転でできる立体の体積や、2曲線に挟まれた領域の回転でできる立体の体積も、「切り口の面積を積分する」という同じ原理で立式します。
例 1.1.と軸で囲む領域を、軸のまわりに1回転させます。切り口は半径の円なので
です。できる立体は底面の半径、高さの円錐ですから、中学以来の公式と一致しています。積分が既知の公式を作り直せることの確認になります。
2 曲線の長さ
級の曲線()の長さはです。曲線が媒介変数表示で与えられているときは、長さはです。曲線を細かい折れ線で近似すると、各線分の長さはです。§D1.14 定理 3.1よりです。したがって、各線分の長さを足し合わせて極限をとると、積分が得られます。すなわち、曲線の長さは、微小な直角三角形の斜辺の長さ(三平方の定理)を積分したものです。
閑話休題:有限の体積、無限の表面——ガブリエルのラッパ 求積の公式を用いると、直感に反する性質をもつ図形が見つかることがあります。曲線と軸に挟まれた、の範囲の領域を軸のまわりに回転させた立体は、が大きくなるにつれて限りなく細くなりながら、どこまでも伸びています。この立体は、ガブリエルのラッパ(トリチェリのトランペット)と呼ばれます。その体積はであり、有限です。しかし、表面積を表す積分は、調和級数と同様に発散します。この性質は、「有限の量のペンキで内部を満たすことができるのに、その内壁を塗りきることはできない」という逆説の形で知られています。この図形は、無限の概念がまだ整理されていなかった17世紀にトリチェリが見つけたものです。有限の体積と無限の表面積をあわせもつこの図形をめぐって、大きな論争が起こりました。
体積・面積を求める工夫は、積分法が成立するはるか前から積み重ねられてきました。アルキメデスは「取り尽くし法」で、球の体積が外接円柱の体積のであることを突き止めました。アルキメデスはこの発見を誇りに思い、自分の墓に球と円柱を刻ませたと伝えられます。断面積が各高さで等しければ体積も等しい、というカヴァリエリの原理も、積分の素朴な原型でした。「細かく分割して足し合わせ、極限をとる」という求積の考え方は、2000年をかけてアルキメデスからニュートン・ライプニッツの積分法へと発展しました。求積の公式は、数学者が長い時間をかけて無限の扱い方を整えてきた結果として得られたものです。
3 例題
レベル2 — 回転体の体積と曲線の長さ
次の求積を行え(回転体の体積 V、または曲線の長さ L)。
解法の型体積は V² dx(y 軸まわりなら Vdx)、長さは L√(1 + (y′)²) dx
例 3.1. 直線 yx + 1(0x3)、x 軸、y 軸、直線 x3 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
答
注意 V+ 1)² dx(0 から 3 まで)[(x + 1)³/3]³ - 1)/3。
例 3.2. 曲線 y√(1 - x²)(-1x1)と x 軸で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体(半径 1 の球)の体積 V を求めよ。
答
注意 y²1 - x² は多項式。V- x²) dx(-1 から 1 まで)³ - 2·1³/3)³/3。半径 r の球の体積³/3 と一致する。
例 3.3. 曲線 y√x(0x3)、x 軸、直線 x3 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
答
注意 y²x なので Vdx(0 から 3 まで)²/2。被積分関数はy² であって y ではない(y のままだと面積になってしまう)。
例 3.4. 曲線 y√(4 - x²)(-2x2)と x 軸で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体(半径 2 の球)の体積 V を求めよ。
答
注意 y²4 - x² は多項式。V- x²) dx(-2 から 2 まで)³ - 2·2³/3)³/3。半径 r の球の体積³/3 と一致する。
例 3.5. 曲線 yx²(0x3)、x 軸、直線 x3 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
答
注意 y²なので Vdx(0 から 3 まで)。
例 3.6. 直線 yx + 1(0x2)、x 軸、y 軸、直線 x2 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
答
注意 V+ 1)² dx(0 から 2 まで)[(x + 1)³/3]³ - 1)/3。
例 3.7. 曲線 y(eˣ +ˣ)/2(0x1)の長さ L を求めよ。
答
注意 y′(eˣ -ˣ)/2 だから 1 + (y′)²1 + (e²ˣ - 2 +²ˣ)/4(e²ˣ + 2 +²ˣ)/4((eˣ +ˣ)/2)² と完全平方になる。根号が外れて Lˣ +ˣ)/2 dx(0 から 1 まで)- e^(-1))/2。
例 3.8. 直線 yx + 1(0x4)、x 軸、y 軸、直線 x4 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
答
注意 V+ 1)² dx(0 から 4 まで)[(x + 1)³/3]³ - 1)/3。
例 3.9. 曲線 y√x(0x6)、x 軸、直線 x6 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
答
注意 y²x なので Vdx(0 から 6 まで)²/2。被積分関数はy² であって y ではない(y のままだと面積になってしまう)。
例 3.10. 曲線 yx²(0x2)、x 軸、直線 x2 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
答
注意 y²なので Vdx(0 から 2 まで)。
4 演習
レベル2 — 回転体の体積と曲線の長さ
次の求積を行え(回転体の体積 V、または曲線の長さ L)。
解法の型体積は V² dx(y 軸まわりなら Vdx)、長さは L√(1 + (y′)²) dx
問題 4.1. 曲線 yx²(0x3)、x 軸、直線 x3 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 y²なので Vdx(0 から 3 まで)。▨
問題 4.2. 曲線 y√(9 - x²)(-3x3)と x 軸で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体(半径 3 の球)の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 y²9 - x² は多項式。V- x²) dx(-3 から 3 まで)³ - 2·3³/3)³/3。半径 r の球の体積³/3 と一致する。▨
問題 4.3. 直線 yx + 1(0x3)、x 軸、y 軸、直線 x3 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 V+ 1)² dx(0 から 3 まで)[(x + 1)³/3]³ - 1)/3。▨
問題 4.4. 曲線 y(eˣ +ˣ)/2(0x3)の長さ L を求めよ。
解答.
答
注意 y′(eˣ -ˣ)/2 だから 1 + (y′)²1 + (e²ˣ - 2 +²ˣ)/4(e²ˣ + 2 +²ˣ)/4((eˣ +ˣ)/2)² と完全平方になる。根号が外れて Lˣ +ˣ)/2 dx(0 から 3 まで)- e^(-3))/2。▨
問題 4.5. 曲線 y(eˣ +ˣ)/2(0x2)の長さ L を求めよ。
解答.
答
注意 y′(eˣ -ˣ)/2 だから 1 + (y′)²1 + (e²ˣ - 2 +²ˣ)/4(e²ˣ + 2 +²ˣ)/4((eˣ +ˣ)/2)² と完全平方になる。根号が外れて Lˣ +ˣ)/2 dx(0 から 2 まで)- e^(-2))/2。▨
問題 4.6. 曲線 yx²(0x2)、x 軸、直線 x2 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 y²なので Vdx(0 から 2 まで)。▨
問題 4.7. 直線 y4 - x(0x4)と x 軸、y 軸で囲む部分を y 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 半径 x、高さ y、厚さ dx の薄い円筒(バウムクーヘン分割)の体積dx を足し上げる。V- x) dx(0 から 4 まで)²/2 - 4³/3)³/3。底面の半径 4、高さ 4 の円錐の体積と一致する。▨
問題 4.8. 直線 yx + 1(0x4)、x 軸、y 軸、直線 x4 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 V+ 1)² dx(0 から 4 まで)[(x + 1)³/3]³ - 1)/3。▨
問題 4.9. 曲線 y√(4 - x²)(-2x2)と x 軸で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体(半径 2 の球)の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 y²4 - x² は多項式。V- x²) dx(-2 から 2 まで)³ - 2·2³/3)³/3。半径 r の球の体積³/3 と一致する。▨
問題 4.10. 曲線 y(eˣ +ˣ)/2(0x1)の長さ L を求めよ。
解答.
答
注意 y′(eˣ -ˣ)/2 だから 1 + (y′)²1 + (e²ˣ - 2 +²ˣ)/4(e²ˣ + 2 +²ˣ)/4((eˣ +ˣ)/2)² と完全平方になる。根号が外れて Lˣ +ˣ)/2 dx(0 から 1 まで)- e^(-1))/2。▨
問題 4.11. 曲線 yx²/4 - (1/2)log x(1x3)の長さ L を求めよ。
解答.
答
注意 y′x/2 - 1/(2x) だから 1 + (y′)²x²/4 + 1/2 + 1/(4x²)(x/2 + 1/(2x))² と完全平方。x1 で x/2 + 1/(2x) > 0 なので根号が外れ、L+ 1/(2x)) dx(1 から 3 まで)[x²/4 + (1/2)log x](3² - 1)/4 + (1/2)log 32 + (1/2)log 3。▨
問題 4.12. 直線 y3 - x(0x3)と x 軸、y 軸で囲む部分を y 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 半径 x、高さ y、厚さ dx の薄い円筒(バウムクーヘン分割)の体積dx を足し上げる。V- x) dx(0 から 3 まで)²/2 - 3³/3)³/3。底面の半径 3、高さ 3 の円錐の体積と一致する。▨
問題 4.13. 曲線 yx²/4 - (1/2)log x(1x2)の長さ L を求めよ。
解答.
答
注意 y′x/2 - 1/(2x) だから 1 + (y′)²x²/4 + 1/2 + 1/(4x²)(x/2 + 1/(2x))² と完全平方。x1 で x/2 + 1/(2x) > 0 なので根号が外れ、L+ 1/(2x)) dx(1 から 2 まで)[x²/4 + (1/2)log x](2² - 1)/4 + (1/2)log 23/4 + (1/2)log 2。▨
問題 4.14. 曲線 y√x(0x6)、x 軸、直線 x6 で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 y²x なので Vdx(0 から 6 まで)²/2。被積分関数はy² であって y ではない(y のままだと面積になってしまう)。▨
問題 4.15. 曲線 y√(1 - x²)(-1x1)と x 軸で囲む部分を x 軸のまわりに1回転してできる立体(半径 1 の球)の体積 V を求めよ。
解答.
答
注意 y²1 - x² は多項式。V- x²) dx(-1 から 1 まで)³ - 2·1³/3)³/3。半径 r の球の体積³/3 と一致する。▨