珈琲ととんがりこーんの容積

昨日かおとといの朝、こんな入れ物のカフェオレを飲んでいたら回転体の体積のことが気になり始めて
久しぶりに回転体の体積の公式を帰宅後にググっていました。



xを変数としたx=aからx=bまでの関数f(x)をx軸周りに回転させた回転体の体積Vは

と出ましてね


あれ？こんな感じだったっけ？って思ったんですがまあ道具が見つかったので使うまでです。
(二重積分で習った気もするんですけどね)


x=0でf(0)=y1、x=Lでf(L)=y2となる直線をy(x)とすると
y=(y2-y1)/*x/L+y1
となるので、このyをVの式に代入すれば体積は求まります。


なので、まずはyの2乗を計算しますと


なので、



このようになります。


台形のときのような、上底とか下底の代わりになる上底面積や下底面積などの概念はありませんね？
これで本当に合っているのでしょうか？




＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
ということで、別のアプローチを拾ってきました。
大きな円錐の体積から、小さな円錐の体積を引き算するという方法です。


大きな円錐の高さはA2で、底面積は半径y2の円の面積。
小さな円錐の高さはA1で、底面積は半径y1の円の面積です。


とんがりこーんの先っぽを少しかじって捨てるようなイメージです。
A1とA2はいくつでしょうか？


A1は、y(x)=0となるxの絶対値です。
A2は、A2-A1=Lを満たします。



を満たすxなので

よって、A1=|x|なので

A2は



とわかります。

大きな円錐の体積はV2=πy2^2A2/3
小さな円錐の体積はV1=πy1^2A1/3なので、求めたい体積Vはその差である

です。


2つのアプローチから算出された体積Vの式を見比べてみてください。
全然違うように見えるかもしれませんが、これは同じ式です。

因数分解を考えてみましょう。

このような公式がありましたよね？同じ式なのです。


また、y1をそのままにしてy2=0にしたり、y2をそのままにしてy1=0にしてみると、
ちゃんとただの円錐の体積の式になります。

y1=y2のときはどうなるでしょうか？
これが何を意味するのかというと、円筒の体積です。
片方は円筒の式になりますね？

もう片方は0/0になってしまいますね？
ここでロピタルの定理の出番です。分母と分子をy1で微分し、y1→y2の極限をとってみますと
ちゃんと円筒の体積になります。

分母と分子をy2でも微分してy2→y1の極限でも円筒の体積になることを確かめてみましょう