次の曲線または直線で囲まれた図形をx軸のまわりに1回転してできる回転体の体積を求めます。 (1) $y = 3x$, $x = 1$, $x = 2$, $x$軸 (2) $y = \frac{1}{\sqrt{x}}$, $x = 1$, $x = 3$, $x$軸 (3) $y = e^{-x}$, $x = -1$, $x = 1$, $x$軸 (4) $y = \cos x$ ($0 \le x \le \frac{\pi}{2}$), $x$軸, $y$軸 (5) $y = \sqrt{3-x}$, $x$軸, $y$軸 (6) $y = \sqrt{1+x^2}$, $x = -1$, $x = 2$, $x$軸 (7) $y = \tan x$, $x = \frac{\pi}{4}$, $x$軸 (8) $y = \frac{1}{x+2}$, $x = 1$, $x$軸, $y$軸 (9) $\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} = 1$ (10) $y = 4-x^2$, $y = 3$ (11) $y = x^2 - x$, $x$軸 (12) $x^2 + y^2 + 2x = 0$

解析学積分回転体の体積定積分関数
2025/6/15

1. 問題の内容

次の曲線または直線で囲まれた図形をx軸のまわりに1回転してできる回転体の体積を求めます。
(1) y=3xy = 3x, x=1x = 1, x=2x = 2, xx
(2) y=1xy = \frac{1}{\sqrt{x}}, x=1x = 1, x=3x = 3, xx
(3) y=exy = e^{-x}, x=1x = -1, x=1x = 1, xx
(4) y=cosxy = \cos x (0xπ20 \le x \le \frac{\pi}{2}), xx軸, yy
(5) y=3xy = \sqrt{3-x}, xx軸, yy
(6) y=1+x2y = \sqrt{1+x^2}, x=1x = -1, x=2x = 2, xx
(7) y=tanxy = \tan x, x=π4x = \frac{\pi}{4}, xx
(8) y=1x+2y = \frac{1}{x+2}, x=1x = 1, xx軸, yy
(9) x24+y29=1\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} = 1
(10) y=4x2y = 4-x^2, y=3y = 3
(11) y=x2xy = x^2 - x, xx
(12) x2+y2+2x=0x^2 + y^2 + 2x = 0

2. 解き方の手順

回転体の体積は、与えられた関数を積分して求めます。x軸周りの回転体の体積は、以下の公式で計算できます。
V=πab[f(x)]2dxV = \pi \int_a^b [f(x)]^2 dx
ここで、f(x)f(x)は回転させる関数、aabbは積分範囲です。問題ごとに、積分範囲と関数を適切に設定して計算します。
(1)
V=π12(3x)2dx=π129x2dx=π[3x3]12=π[3(23)3(13)]=π[243]=21πV = \pi \int_1^2 (3x)^2 dx = \pi \int_1^2 9x^2 dx = \pi [3x^3]_1^2 = \pi [3(2^3) - 3(1^3)] = \pi [24 - 3] = 21\pi
(2)
V=π13(1x)2dx=π131xdx=π[lnx]13=π(ln3ln1)=πln3V = \pi \int_1^3 (\frac{1}{\sqrt{x}})^2 dx = \pi \int_1^3 \frac{1}{x} dx = \pi [\ln x]_1^3 = \pi (\ln 3 - \ln 1) = \pi \ln 3
(3)
V=π11(ex)2dx=π11e2xdx=π[12e2x]11=π[12e2+12e2]=π2(e2e2)V = \pi \int_{-1}^1 (e^{-x})^2 dx = \pi \int_{-1}^1 e^{-2x} dx = \pi [-\frac{1}{2}e^{-2x}]_{-1}^1 = \pi [-\frac{1}{2}e^{-2} + \frac{1}{2}e^2] = \frac{\pi}{2}(e^2 - e^{-2})
(4)
V=π0π/2(cosx)2dx=π0π/21+cos2x2dx=π[x2+sin2x4]0π/2=π[π4+000]=π24V = \pi \int_0^{\pi/2} (\cos x)^2 dx = \pi \int_0^{\pi/2} \frac{1 + \cos 2x}{2} dx = \pi [\frac{x}{2} + \frac{\sin 2x}{4}]_0^{\pi/2} = \pi [\frac{\pi}{4} + 0 - 0 - 0] = \frac{\pi^2}{4}
(5)
y=3xy = \sqrt{3-x}xx軸、yy軸で囲まれた図形なので、xxの積分範囲は00から33まで。
V=π03(3x)2dx=π03(3x)dx=π[3xx22]03=π[9920]=9π2V = \pi \int_0^3 (\sqrt{3-x})^2 dx = \pi \int_0^3 (3-x) dx = \pi [3x - \frac{x^2}{2}]_0^3 = \pi [9 - \frac{9}{2} - 0] = \frac{9\pi}{2}
(6)
V=π12(1+x2)2dx=π12(1+x2)dx=π[x+x33]12=π[2+83(113)]=π[2+83+1+13]=π[3+93]=6πV = \pi \int_{-1}^2 (\sqrt{1+x^2})^2 dx = \pi \int_{-1}^2 (1+x^2) dx = \pi [x + \frac{x^3}{3}]_{-1}^2 = \pi [2 + \frac{8}{3} - (-1 - \frac{1}{3})] = \pi [2 + \frac{8}{3} + 1 + \frac{1}{3}] = \pi [3 + \frac{9}{3}] = 6\pi
(7)
V=π0π/4(tanx)2dx=π0π/4(sin2xcos2x)dx=π0π/4(1cos2xcos2x)dx=π0π/4(1cos2x1)dx=π[tanxx]0π/4=π[1π40]=π(1π4)V = \pi \int_0^{\pi/4} (\tan x)^2 dx = \pi \int_0^{\pi/4} (\frac{\sin^2 x}{\cos^2 x}) dx = \pi \int_0^{\pi/4} (\frac{1 - \cos^2 x}{\cos^2 x}) dx = \pi \int_0^{\pi/4} (\frac{1}{\cos^2 x} - 1) dx = \pi [\tan x - x]_0^{\pi/4} = \pi [1 - \frac{\pi}{4} - 0] = \pi (1 - \frac{\pi}{4})
(8)
V=π01(1x+2)2dx=π01(x+2)2dx=π[(x+2)1]01=π[13+12]=π6V = \pi \int_0^1 (\frac{1}{x+2})^2 dx = \pi \int_0^1 (x+2)^{-2} dx = \pi [-(x+2)^{-1}]_0^1 = \pi [-\frac{1}{3} + \frac{1}{2}] = \frac{\pi}{6}
(9)
x24+y29=1\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} = 1を変形して、y2=9(1x24)=994x2y^2 = 9(1-\frac{x^2}{4}) = 9 - \frac{9}{4}x^2
V=π22(994x2)dx=2π02(994x2)dx=2π[9x34x3]02=2π[1834(8)]=2π(186)=24πV = \pi \int_{-2}^2 (9 - \frac{9}{4}x^2) dx = 2\pi \int_0^2 (9 - \frac{9}{4}x^2) dx = 2\pi [9x - \frac{3}{4}x^3]_0^2 = 2\pi [18 - \frac{3}{4}(8)] = 2\pi (18 - 6) = 24\pi
(10)
4x2=34 - x^2 = 3より、x2=1x^2 = 1, x=±1x = \pm 1
V=π11(4x2)232dx=π11(168x2+x49)dx=π11(78x2+x4)dx=2π01(78x2+x4)dx=2π[7x83x3+x55]01=2π(783+15)=2π(10540+315)=136π15V = \pi \int_{-1}^1 (4-x^2)^2 - 3^2 dx = \pi \int_{-1}^1 (16 - 8x^2 + x^4 - 9) dx = \pi \int_{-1}^1 (7 - 8x^2 + x^4) dx = 2\pi \int_0^1 (7 - 8x^2 + x^4) dx = 2\pi [7x - \frac{8}{3}x^3 + \frac{x^5}{5}]_0^1 = 2\pi (7 - \frac{8}{3} + \frac{1}{5}) = 2\pi (\frac{105 - 40 + 3}{15}) = \frac{136\pi}{15}
(11)
V=π01(x2x)2dx=π01(x42x3+x2)dx=π[x55x42+x33]01=π[1512+13]=π[615+1030]=π30V = \pi \int_0^1 (x^2 - x)^2 dx = \pi \int_0^1 (x^4 - 2x^3 + x^2) dx = \pi [\frac{x^5}{5} - \frac{x^4}{2} + \frac{x^3}{3}]_0^1 = \pi [\frac{1}{5} - \frac{1}{2} + \frac{1}{3}] = \pi [\frac{6 - 15 + 10}{30}] = \frac{\pi}{30}
(12)
x2+y2+2x=0x^2 + y^2 + 2x = 0を変形して、(x+1)2+y2=1(x+1)^2 + y^2 = 1。これは中心(1,0)(-1,0)、半径1の円。
V=π20y2dx=π20(x22x)dx=π[x33x2]20=π[0(834)]=π[483]=4π3V = \pi \int_{-2}^0 y^2 dx = \pi \int_{-2}^0 (-x^2 -2x) dx = \pi [-\frac{x^3}{3} - x^2]_{-2}^0 = \pi[0 - (\frac{8}{3} - 4)] = \pi [4 - \frac{8}{3}] = \frac{4\pi}{3}

3. 最終的な答え

(1) 21π21\pi
(2) πln3\pi \ln 3
(3) π2(e2e2)\frac{\pi}{2}(e^2 - e^{-2})
(4) π24\frac{\pi^2}{4}
(5) 9π2\frac{9\pi}{2}
(6) 6π6\pi
(7) π(1π4)\pi (1 - \frac{\pi}{4})
(8) π6\frac{\pi}{6}
(9) 24π24\pi
(10) 136π15\frac{136\pi}{15}
(11) π30\frac{\pi}{30}
(12) 4π3\frac{4\pi}{3}

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