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極方程式の回転体

極方程式 r=f(\theta) を境界とする領域を横軸(x 軸)のまわりに回転させてできる立体の体積を考える際,(0,0)(r\cos\theta,r\sin\theta)( (r+dr)\cos(\theta+d\theta),(r+dr)\sin(\theta+d\theta) ) を頂点とする三角形を横軸(x 軸)のまわりに回転させてできる微小立体の微小体積を求める必要がある.良くある方法は傘型を開いて錐で近似する手法だが,

manabitimes.jp

にあるように,パップス・ギュルダンを利用(重心の y 座標が \dfrac{1}{3}(r\sin\theta+(r+dr)\sin(\theta+d\theta)),面積が \dfrac{1}{2}r(r+dr)d\theta となる)して
dV=2\pi\cdot\dfrac{1}{3}(r\sin\theta+\sin(\theta+d\theta))\cdot\dfrac{1}{2}r(r+dr)d\theta
となり2次以上の微小量を無視すると
dV=\dfrac{2}{3}\pi r^3 \sin\theta d\theta
が成立することを利用しても良いが,立体角が
2\pi\{(1-\cos(\theta+d\theta))-(1-\cos\theta)\}=2\pi\sin\theta d\theta となるので
dV=\dfrac{4}{3}\pi r^3\cdot \dfrac{2\pi\sin\theta d\theta}{4\pi}=\dfrac{2}{3}\pi r^3\sin\theta d\theta
となると考えても良い.正確には
\dfrac{2}{3}\pi r_{\min}^3\sin\theta d\theta\leqq dV\leqq \dfrac{2}{3}\pi r_{\max}^3\sin\theta d\theta
と2つの球扇形で挟むことによって体積評価をして極限をとれば良い.
(球欠を定める球の切り口を底面,頂点が球の中心Oである円錐と球欠を合わせた立体を球(面)扇形と呼ぶ)

なお,立体角の計算については,球の表面積が球冠の厚さに比例することを知っていれば,頂角 \theta の錐の立体角が
2\pi(1-\cos\theta) となることは直ちにわかる.

この立体角を利用して公式を求める誘導は
2012年(平成24年)慶應義塾大学医学部-数学[4] - [別館]球面倶楽部零八式markIISR
参照.

この公式を使ってパスカルの蝸牛形(リマソン)を回転させて囲まれる部分の体積を求める問題は
https://spherical-harmonics.hateblo.jp/entry/Kyodai/2009/Rikei_5
参照.

この公式を使わない方が良い問題は
1998年(平成10年)京都大学後期-数学(理科)[6] - [別館]球面倶楽部零八式markIISR
参照.

2026.02.24追記
バームクーヘン積分を置換積分を使って求めることができることは有名だが,極方程式の回転体の体積を求める公式も普通の回転体の体積 V=\pi\int y^2\, dx の置換積分から導ける話を書いていたので書いてから数ヶ月たってしまった今頃リンクを貼っておく.

2009年(平成21年)京都大学-数学(理系乙)[5] - [別館]球面倶楽部零八式markIISR




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