MathLabs
Định lýĐã chứng minh

Thể tích khối tròn xoay (phương pháp đĩa)

Phát biểu

Cho ff liên tục và không âm trên [a,b][a,b]. Khi quay miền dưới y=f(x)y=f(x) quanh trục xx, ta được một khối tròn xoay có thể tích V=π∫ab[f(x)]2 dxV=\pi\int_a^b [f(x)]^2\,dx.

Vì sao đúng?

Cắt khối theo mặt phẳng vuông góc trục xx tại vị trí xx cho một đĩa tròn bán kính f(x)f(x) và diện tích π[f(x)]2\pi[f(x)]^2; xếp chồng các đĩa này và lấy tích phân diện tích thiết diện trên [a,b][a,b] cho tổng thể tích, cùng lập luận cắt lát dùng cho diện tích nhưng với diện tích một đĩa thay cho chiều cao một dải.

Phác thảo chứng minh

Chia [a,b][a,b] thành nn đoạn con bề rộng Δx=(b−a)/n\Delta x=(b-a)/n với các điểm mẫu xi∗x_i^*. Khối giới hạn trên [xi−1,xi][x_{i-1},x_i] xấp xỉ một đĩa hình trụ bán kính f(xi∗)f(x_i^*) và bề dày Δx\Delta x, nên thể tích của nó xấp xỉ π[f(xi∗)]2 Δx\pi[f(x_i^*)]^2\,\Delta x.

Cộng các thể tích đĩa này trên tất cả nn đoạn con cho tổng Riemann ∑i=1nπ[f(xi∗)]2 Δx\sum_{i=1}^n \pi[f(x_i^*)]^2\,\Delta x, xấp xỉ thể tích thực VV.

Khi n→∞n\to\infty, tính liên tục của ff trên [a,b][a,b] làm sai số xấp xỉ triệt tiêu, và vì x↦π[f(x)]2x\mapsto \pi[f(x)]^2 liên tục, tổng Riemann hội tụ theo định nghĩa về π∫ab[f(x)]2 dx\pi\int_a^b[f(x)]^2\,dx. Vậy V=π∫ab[f(x)]2 dxV=\pi\int_a^b[f(x)]^2\,dx.

Để kiểm tra tính nhất quán, lấy f(x)=rhxf(x)=\dfrac{r}{h}x trên [0,h][0,h], khi quay quanh trục xx cho đúng một hình nón bán kính đáy rr và chiều cao hh: V=π∫0h(rhx)2dx=πr2h2⋅h33=13πr2hV=\pi\int_0^h \left(\dfrac{r}{h}x\right)^2 dx = \pi\dfrac{r^2}{h^2}\cdot\dfrac{h^3}{3} = \dfrac{1}{3}\pi r^2 h, đúng bằng công thức thể tích hình nón cổ điển.

Chủ đề chứa định lý này

Chứng minh từng bước

Chưa có chứng minh từng bước cho định lý này.

Tài liệu tham khảo

  1. Michael Spivak (2008). Calculus
  2. James Stewart (2015). Calculus: Early Transcendentals