第6章積分の応用
6.2 Determining Volumes by Slicing6.2 断面を積み重ねて体積を求める
Learning Objectives学習目標
- Determine the volume of a solid by integrating a cross-section (the slicing method).断面積を積分して立体の体積を求める。
- Find the volume of a solid of revolution using the disk method.円板法を使って回転体の体積を求める。
- Find the volume of a solid of revolution with a cavity using the washer method.円環法を使って、空洞のある回転体の体積を求める。
In the preceding section, we used definite integrals to find the area between two curves. In this section, we use definite integrals to find volumes of three-dimensional solids. We consider three approaches—slicing, disks, and washers—for finding these volumes, depending on the characteristics of the solid.
英語のヒント
前節では、定積分を使って二つの曲線の間の面積を求めた。この節では三次元の立体の体積を求める。立体の形に応じて、断面を使う方法、円板法、円環法という三つの方法を考える。
Volume and the Slicing Method体積と断面による方法
Just as area is the numerical measure of a two-dimensional region, volume is the numerical measure of a three-dimensional solid. Most of us have computed volumes of solids by using basic geometric formulas. The volume of a rectangular solid, for example, can be computed by multiplying length, width, and height: The formulas for the volume of a sphere a cone and a pyramid have also been introduced. Although some of these formulas were derived using geometry alone, all these formulas can be obtained by using integration.
英語のヒント
面積が二次元の領域の大きさを数で表すように、体積は三次元の立体の大きさを数で表す。基本的な幾何学の公式で、立体の体積を計算した経験があるだろう。例えば直方体なら、縦・横・高さを掛けて と求める。球 、円錐 、角錐 の公式も学んできた。これらには幾何学だけで導けるものもあるが、どの公式も積分を使って得られる。
We can also calculate the volume of a cylinder. Although most of us think of a cylinder as having a circular base, such as a soup can or a metal rod, in mathematics the word cylinder has a more general meaning. To discuss cylinders in this more general context, we first need to define some vocabulary.
英語のヒント
柱体の体積も計算できる。英語の cylinder から、スープの缶や金属棒のような円柱を思い浮かべるかもしれないが、数学ではもっと広い意味で使う。この一般的な意味で柱体を扱うために、まず用語を定義しよう。
We define the cross-section of a solid to be the intersection of a plane with the solid. A cylinder is defined as any solid that can be generated by translating a plane region along a line perpendicular to the region, called the axis of the cylinder. Thus, all cross-sections perpendicular to the axis of a cylinder are identical. The solid shown in Figure 6.11 is an example of a cylinder with a noncircular base. To calculate the volume of a cylinder, then, we simply multiply the area of the cross-section by the height of the cylinder: In the case of a right circular cylinder (soup can), this becomes
英語のヒント
立体を平面で切ったときにできる図形を「断面」という。平面上の領域を、その平面に垂直な直線に沿って平行移動させてできる立体を、ここでは柱体と呼ぶ。その直線が柱体の軸である。したがって、軸に垂直な断面はすべて同じ形になる。図6.11は底面が円でない柱体の例である。体積は、断面積に高さを掛けて と求められる。普通の直円柱、例えばスープの缶の場合は となる。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0
Figure 6.11図 6.11
Each cross-section of a particular cylinder is identical to the others.
柱体の軸に垂直な断面は、どこでも同じ形と大きさになる。
If a solid does not have a constant cross-section (and it is not one of the other basic solids), we may not have a formula for its volume. In this case, we can use a definite integral to calculate the volume of the solid. We do this by slicing the solid into pieces, estimating the volume of each slice, and then adding those estimated volumes together. The slices should all be parallel to one another, and when we put all the slices together, we should get the whole solid. Consider, for example, the solid S shown in Figure 6.12, extending along the
英語のヒント
断面積が一定でなく、基本的な立体でもない場合は、体積の公式がわからないこともある。そのようなときは定積分を使える。立体を薄く切り、各切片の体積を見積もって足し合わせる。切片は互いに平行にし、すべて集めると立体全体になるようにする。例えば、図6.12のように に沿って伸びる立体 S を考えよう。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0
Figure 6.12図 6.12
A solid with a varying cross-section.
断面が位置によって変わる立体。
We want to divide into slices perpendicular to the As we see later in the chapter, there may be times when we want to slice the solid in some other direction—say, with slices perpendicular to the y-axis. The decision of which way to slice the solid is very important. If we make the wrong choice, the computations can get quite messy. Later in the chapter, we examine some of these situations in detail and look at how to decide which way to slice the solid. For the purposes of this section, however, we use slices perpendicular to the
英語のヒント
を、 に垂直な切片に分ける。この章の後半では、例えば y 軸に垂直に切るなど、別の方向を選ぶ場合も扱う。切る向きの選択は重要であり、選び方によっては計算が非常に複雑になる。適切な方向の決め方は後で詳しく考える。この節では、 に垂直に切ることにする。
Because the cross-sectional area is not constant, we let represent the area of the cross-section at point Now let be a regular partition of and for let represent the slice of stretching from The following figure shows the sliced solid with
断面積は一定でないので、位置 での断面積を とする。 を区間 の等分割とし、各 について、 の までの部分を切片 とする。次の図は の場合である。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0
Figure 6.13図 6.13
The solid has been divided into three slices perpendicular to the
立体 を、 に垂直な三つの切片に分けた。
Finally, for let be an arbitrary point in Then the volume of slice can be estimated by Adding these approximations together, we see the volume of the entire solid can be approximated by
各 について、 の任意の点を とする。切片 の体積は と近似できる。これらを足すと、立体 全体の体積は次のように近似できる。
By now, we can recognize this as a Riemann sum, and our next step is to take the limit as Then we have
これはリーマン和である。次に の極限をとると、
The technique we have just described is called the slicing method. To apply it, we use the following strategy.
この方法を、断面を使う体積計算、または切片法という。次の手順で適用する。
Recall that in this section, we assume the slices are perpendicular to the Therefore, the area formula is in terms of x and the limits of integration lie on the However, the problem-solving strategy shown here is valid regardless of how we choose to slice the solid.
英語のヒント
この節では に垂直に切るので、断面積は x の式で表し、積分区間も 上にとる。ただし、この手順自体は、どの向きに切る場合でも成り立つ。
Example 6.6例題 6.6
Deriving the Formula for the Volume of a Pyramid角錐の体積公式を導く
We know from geometry that the formula for the volume of a pyramid is If the pyramid has a square base, this becomes where denotes the length of one side of the base. We are going to use the slicing method to derive this formula.
角錐の体積公式は である。底面が正方形なら となり、 は底面の一辺の長さを表す。この公式を、断面を使って導こう。
Solution解き方
We want to apply the slicing method to a pyramid with a square base. To set up the integral, consider the pyramid shown in Figure 6.14, oriented along the
正方形の底面を持つ角錐を考える。積分を組み立てるため、図6.14のように に沿って置く。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0
Figure 6.14図 6.14
(a) A pyramid with a square base is oriented along the x-axis. (b) A two-dimensional view of the pyramid is seen from the side.
(a) 正方形の底面を持つ角錐を x 軸に沿って置く。(b) 横から見た二次元の図。
We first want to determine the shape of a cross-section of the pyramid. We know the base is a square, so the cross-sections are squares as well (step 1). Now we want to determine a formula for the area of one of these cross-sectional squares. Looking at Figure 6.14(b), and using a proportion, since these are similar triangles, we have
まず断面の形を決める。底面が正方形なので、断面も正方形である(手順1)。次に、その正方形の面積公式を求める。図6.14(b)の三角形は相似なので、辺の比から、
Therefore, the area of one of the cross-sectional squares is
したがって、正方形断面の面積は、
Then we find the volume of the pyramid by integrating from (step
まで積分すれば、角錐の体積が得られる(手順 )。
This is the formula we were looking for.
これが求めていた公式である。