定理已证明
旋转体的体积(圆盘法)
命题陈述
设 f 在 [a,b] 上连续且非负。将 y=f(x) 下方的区域绕 x 轴旋转,得到的旋转体体积为 V=π∫ab[f(x)]2dx。
为什么成立?
在位置 x 处垂直于 x 轴切开立体,得到半径为 f(x)、面积为 π[f(x)]2 的圆盘;把这些圆盘叠加起来,并在 [a,b] 上对截面积求积分,即得总体积——这与求面积时同样的切片论证,只是用圆盘的面积代替了薄条的高度。
证明思路
把 [a,b] 分成 n 个宽为 Δx=(b−a)/n 的小区间,取样本点 xi∗。限制在 [xi−1,xi] 上的立体近似为半径 f(xi∗)、厚度 Δx 的圆柱状圆盘,故其体积约为 π[f(xi∗)]2Δx。
对全部 n 个小区间求和这些圆盘体积,得到黎曼和 ∑i=1nπ[f(xi∗)]2Δx,它逼近真实体积 V。
当 n→∞ 时,由 f 在 [a,b] 上的连续性,近似误差消失,且 x↦π[f(x)]2 本身连续,故根据定义黎曼和收敛到 π∫ab[f(x)]2dx。因此 V=π∫ab[f(x)]2dx。
作为一致性检验,取 [0,h] 上的 f(x)=hrx,将其绕 x 轴旋转恰好得到底面半径为 r、高为 h 的圆锥:V=π∫0h(hrx)2dx=πh2r2⋅3h3=31πr2h,恰好是经典的圆锥体积公式。