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定理已证明

旋转体的体积(圆盘法)

命题陈述

设 ff 在 [a,b][a,b] 上连续且非负。将 y=f(x)y=f(x) 下方的区域绕 xx 轴旋转,得到的旋转体体积为 V=π∫ab[f(x)]2 dxV=\pi\int_a^b [f(x)]^2\,dx。

为什么成立?

在位置 xx 处垂直于 xx 轴切开立体,得到半径为 f(x)f(x)、面积为 π[f(x)]2\pi[f(x)]^2 的圆盘;把这些圆盘叠加起来,并在 [a,b][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][a,b] 分成 nn 个宽为 Δx=(b−a)/n\Delta x=(b-a)/n 的小区间,取样本点 xi∗x_i^*。限制在 [xi−1,xi][x_{i-1},x_i] 上的立体近似为半径 f(xi∗)f(x_i^*)、厚度 Δx\Delta x 的圆柱状圆盘,故其体积约为 π[f(xi∗)]2 Δx\pi[f(x_i^*)]^2\,\Delta x。

对全部 nn 个小区间求和这些圆盘体积,得到黎曼和 ∑i=1nπ[f(xi∗)]2 Δx\sum_{i=1}^n \pi[f(x_i^*)]^2\,\Delta x,它逼近真实体积 VV。

当 n→∞n\to\infty 时,由 ff 在 [a,b][a,b] 上的连续性,近似误差消失,且 x↦π[f(x)]2x\mapsto \pi[f(x)]^2 本身连续,故根据定义黎曼和收敛到 π∫ab[f(x)]2 dx\pi\int_a^b[f(x)]^2\,dx。因此 V=π∫ab[f(x)]2 dxV=\pi\int_a^b[f(x)]^2\,dx。

作为一致性检验,取 [0,h][0,h] 上的 f(x)=rhxf(x)=\dfrac{r}{h}x,将其绕 xx 轴旋转恰好得到底面半径为 rr、高为 hh 的圆锥: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,恰好是经典的圆锥体积公式。

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分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

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