半径 $R$ の円を、中心から距離 $L$ だけ離れた軸の周りに回転させてできるトーラス(ドーナツ型)の体積を求める問題です。ただし、$R < L$ の条件が与えられています。
2025/7/24
1. 問題の内容
半径 の円を、中心から距離 だけ離れた軸の周りに回転させてできるトーラス(ドーナツ型)の体積を求める問題です。ただし、 の条件が与えられています。
2. 解き方の手順
トーラスの体積は、パップス・ギュルダンの定理を用いて求められます。パップス・ギュルダンの定理とは、平面図形をある軸の周りに回転させてできる立体の体積は、その図形の面積と、図形の重心が回転軸の周りを一周する距離の積に等しい、というものです。
* まず、回転させる円の面積を求めます。円の面積 は、
で与えられます。
* 次に、円の重心が回転軸の周りを一周する距離を求めます。円の重心は円の中心にあり、回転軸からの距離は です。したがって、重心が一周する距離 は、
となります。
* 最後に、パップス・ギュルダンの定理を用いてトーラスの体積 を求めます。
3. 最終的な答え
トーラスの体積は です。