忘却の微分方程式(87) 反復練習50、バームクーヘン型回転体の求積、Maxima

Joseph Halfmoon

前回も回転体の体積の定積分でしたが、今回も回転体です。ただし求積法がちょいと異なります。バームクーヘン型とな。バームクーヘンが薄い生地を巻き付けるような構造をしているように、1枚1枚の極薄の側面積を積分して行けば体積になるのだ、と。個人的には前回よりもわかりやすいかも。コーヒー飲みながら積分するのがよろしいようで。

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※数学のお勉強のための以下の教科書(参考書、問題集?)の例題をMaximaの練習に使わせていただいております。

弱点克服 大学生の微積分 江川著 東京図書

遥かなるかな太古の時代、大学生のときにこういう御本が欲しかったデス。

※以下のMaxima/wxMaximaバージョンで実習させていただいております。

    • Maxima 5.46.0
    • wxMaxima 22.04.0
今回の問題

以下のQ51をyとして表されるようなグラフとX=0の線で囲まれた断面をY軸中心にグルリと回転させたときにできる体積を求める問題です。ただQ51みてもどんな形になるのだか想像もできません。

まずは、上記の「2次元の断面」のグラフを観察するとこんな感じ。Q51plot2d

上のグラフを見てようやく体積のイメージをすることができるようになりました。実際に回転体の体積風に表現すると以下のようです。バームクーヘンというかドーナッツ型のケーキに見えなくもないです。Q51plot3d

上記の3次元プロットを描くコマンドは以下のようです。回転軸をz軸に置き換えて、底面のx, y 平面上に動径Rが0~1の範囲を回っているイメージです。Q51plot3dOPR

なお、上記の3次元プロットを描くにあたって以下のページを参考にさせていただきました。あざーす。

Maxima で領域の塗りつぶしと回転体の表示

バームクーヘン型求積法

この考え方はシンプルです。高さf(x)、周囲の長さ2πxがバームクーヘンの1層分の表面積(厚さは無限小)なので、これをx方向に必要なだけ積分していってやれば体積が求まると。こんな感じ。Vbaumkuchen

上記にそって定積分を行ってみます。Q51V

問題を実際に解いたのはMaxima様ですが、答え1発。バームクーヘン型はおいしい?

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