x 軸の周りに回転させる多項式 f(x) の次数・係数と、回転させる範囲の下端 a・上端 b を入力してください。下の数式は入力欄と連動していて、∫の上下の数字や係数の部分を直接書き換えても計算できます。
このページでできること
- 多項式 \(y = f(x)\)(1次〜4次)のグラフを \(x\) 軸の周りに1回転させてできる回転体の体積 \(V = \pi\displaystyle\int_a^b \{f(x)\}^2\,dx\) を、係数と範囲を入れるだけでその場で計算できます
- 答えは \(\dfrac{8}{3}\pi\) のような「\(\pi\) × 約分済みの分数」の厳密値と小数の両方で表示。\(\{f(x)\}^2\) の展開・原始関数 \(G(x)\)・\(G(b) - G(a)\) を計算する途中式も見られます
- 計算機には手書きと同じ形の式 \(V = \pi\displaystyle\int_a^b \left(\cdots\right)^2 dx\) が表示され、\(\int\) の上下の数字や係数の部分を直接書き換えて計算することもできます
- 係数・範囲には小数・負の数のほか、3/4 のような分数も入力できます
- 式のやさしい解説(なぜ \(\pi\{f(x)\}^2\) を積分すると体積になるのか)・Excel/Googleスプレッドシート/Python用のコピペ数式・計算ドリル(演習問題)もこのページにまとまっています
この計算は何の役に立つ?
旋盤は、材料を高速で回転させて刃を当て、削り出す工作機械です。できあがる部品(シャフト・ノズル・こまのような形)はまさに回転体で、輪郭の曲線が決まれば体積は回転体の積分で求められます。
体積がわかれば「体積 × 材料の密度 = 重さ」も出せるので、材料費の見積もりや軽量化の検討に直結します。
ペットボトルやワイングラスのような回転対称の容器は、内側の輪郭の曲線を式で表せば、容量(内容積)を回転体の積分として計算できます。
「ちょうど500mL入る形にしたい」という設計は、輪郭の曲線を調整しながらこの積分を繰り返す作業で、CADソフトが体積を出すときも内部では同じ考え方の計算が動いています。
石油タンクや穀物サイロには、円柱に円錐や半球を組み合わせた回転体の形が多く使われます(強度と作りやすさの面で有利なためです)。
設備の容量や、液面の高さから中身の残量を求める換算表は、断面積を高さ方向に積分する計算で作られています。
CTスキャンは、体を薄い輪切りにした断面画像を何百枚も撮る検査です。各断面での臓器の面積を測って厚さを掛けて足し合わせると、臓器や腫瘍のおおよその体積が推定できます。
これは「断面積を積み上げて体積にする」という、このページの式の考え方そのものです(実際の医療機器では、より細かい補正を加えた計算が使われています)。
ろくろで作る陶器や、回転成形で作るポリタンクのような製品は回転体に近い形をしています。輪郭から体積を積分で見積もれば、必要な粘土や樹脂の量、製品の重さを事前に計算できます。
共通するのは「形を式で表せば、量(体積・重さ・材料費)が計算できる」という考え方で、回転体の積分はその代表例です。
式とグラフ
用語・記号の解説
記号
| \(V\) | ブイ | 体積を表すのによく使われる文字。英語で体積を意味する Volume の頭文字です。このページでは回転体の体積を表します。 |
| \(\pi\) | パイ | 円周率(約 3.14159)。円周の長さが直径の何倍かを表す数で、ギリシャ語で「周」を意味する言葉の頭文字に由来するといわれます。断面の円の面積 \(\pi r^2\) から出てきて、答えにもそのまま残ります。 |
| \(\displaystyle\int\) | インテグラル | 積分を表す記号。英語で「合計」を意味する Sum の頭文字 S を縦に引き伸ばした形に由来し、「細かく刻んで足し合わせる」という積分の考え方を表しています。 |
| \(a,\ b\) | エー・ビー | 回転させる範囲(積分区間)の両端。\(\int\) 記号の下に書く \(a\) が下端(範囲の左端)、上に書く \(b\) が上端(範囲の右端)です。回転体は \(a\) から \(b\) までの長さを持つ立体になります。 |
| \(dx\) | ディーエックス | 「\(x\) について積分する」ことを表す記号。\(d\) は difference(差)の頭文字で、「\(x\) のごくわずかな変化」という意味です。体積のイメージでは、輪切りにした1枚の「厚さ」にあたります(断面積が \(S(x)\)、厚さが \(dx\) の薄い輪切りを足し集めるのが回転体の体積です)。 |
| \(f(x)\) | エフエックス | 回転させる曲線を表す関数。\(f\) は function(関数)の頭文字です。回転体を輪切りにしたとき、\(f(x)\) がその位置での断面の円の「半径」になります。 |
| \(\{f(x)\}^{2}\) | エフエックスの2乗 | \(f(x)\) 全体を2乗したもの。中かっこ \(\{\ \}\) は「式のまとまりごと2乗する」ことをはっきりさせる書き方です。断面の円の面積が \(\pi \times\) 半径の2乗 \(= \pi\{f(x)\}^{2}\) なので、体積の式に登場します。 |
| \(S(x)\) | エスエックス | 位置 \(x\) で回転体を輪切りにしたときの断面積。\(S\) は面積によく使われる文字で、Square(平方)や Surface(面)の頭文字に由来するといわれます。切る位置 \(x\) によって値が変わるので、\(x\) の関数として \(S(x)\) と書きます。 |
| \(G(x)\) | ジーエックス | このページでの \(\{f(x)\}^{2}\) の原始関数(微分すると \(\{f(x)\}^{2}\) に戻る関数)。もとの関数 \(f\) と区別するため、アルファベットで次の文字の \(G\) を使っています。 |
| \(\Bigl[G(x)\Bigr]_a^b\) | ジーエックスの、エーからビーまで | \(G(b) - G(a)\) を表す途中式の書き方。「\(x\) に \(b\) と \(a\) を代入して引く」操作をひとまとめにした記号で、教科書の答案でもこの形で書きます。 |
| \(r,\ h\) | アール・エイチ | 円錐・円柱の公式に出てくる文字で、\(r\) は底面の半径(radius)、\(h\) は高さ(height)の頭文字です。このページでは、積分で出した体積を円錐・円柱の公式で検算するときに使います。 |
用語
| 回転体 | かいてんたい | 平面上の図形(このページでは曲線 \(y = f(x)\) と \(x\) 軸の間の部分)を、1本の直線の周りに1回転させてできる立体。円柱・円錐・球はすべて回転体です(長方形・直角三角形・半円を回転させるとできます)。 |
| 回転軸 | かいてんじく | 回転体を作るときの、回転の中心になる直線。このページでは \(x\) 軸が回転軸です。回転軸と垂直に切った断面は必ず円になります。 |
| 断面 | だんめん | 立体をある平面で切ったときの切り口の形。回転体を回転軸と垂直に切ると、断面は必ず円になります。 |
| 断面積 | だんめんせき | 断面の面積。回転体では、位置 \(x\) での断面が半径 \(f(x)\) の円なので、断面積は \(S(x) = \pi\{f(x)\}^{2}\) です。断面積を積分すると体積になります。 |
| 円周率 | えんしゅうりつ | 円周の長さ ÷ 直径 の値(約 3.14159…)。どんな大きさの円でも同じ値になるので、記号 \(\pi\) で表します。円の面積 \(\pi r^2\) を通して、回転体の体積の式に入ってきます。 |
| 定積分 | ていせきぶん | 区間(\(a\) から \(b\) まで)を決めて計算する積分。答えは1つの数値になります。回転体の体積は「断面積の定積分」として求められます。 |
| 原始関数 | げんしかんすう | 微分すると元の関数に戻る関数。このページでは \(\{f(x)\}^{2}\) の原始関数を \(G(x)\) と書き、体積は \(\pi\{G(b) - G(a)\}\) で計算できます。 |
| 積分区間 | せきぶんくかん | 「どこからどこまで」積分するかの範囲。このページでは「曲線のどこからどこまでを回転させるか」=立体の左端 \(a\) と右端 \(b\) にあたります。 |
| 多項式 | たこうしき | \(2x^3 - x + 5\) のように、\(x\) のべき乗に係数を掛けた項を足し合わせた式。整式とも呼びます。この計算機が回転させられるのは多項式のグラフです。 |
| 係数 | けいすう | 文字の前に付いている数。\(3x^2\) の 3 が係数です。\(x^2\) のように数が書かれていない項の係数は 1 と考えます。 |
| 次数 | じすう | 式に出てくる \(x\) のべき乗のうち、最も高い指数のこと。\(x^3 - 2x + 3\) は \(x^3\) が最高なので「3次式」です。この計算機では最初に次数を選びます。 |
| 定数項 | ていすうこう | \(x + 1\) の 1 のように、\(x\) を含まない「数字だけの項」。\(f(x)\) が定数だけ(水平な直線)なら、回転体は円柱になります。 |
| 円柱 | えんちゅう | 底面が円の柱。体積は「底面積 × 高さ」\(= \pi r^2 h\) です。水平な直線 \(y = r\) を \(x\) 軸の周りに回転させるとできる、一番簡単な回転体です。 |
| 円錐 | えんすい | 底面が円で、先がとがった立体。体積は円柱のちょうど \(\dfrac{1}{3}\) の \(\dfrac{1}{3}\pi r^2 h\) です。原点を通る直線を \(x\) 軸の周りに回転させるとできます。 |
| 円錐台 | えんすいだい | 円錐の上部を底面と平行に切り落とした立体(バケツ・プリンの形)。原点を通らない直線の一部分を回転させるとできます。この計算機でも1次式で作れます。 |
| 区分求積法 | くぶんきゅうせきほう | 図形を細かく刻んで、簡単な形(長方形・薄い円柱など)の合計で面積や体積に迫る方法。定積分の考え方のおおもとで、回転体の「薄い輪切りを足し集める」もこの考え方です。 |
前提として理解しておくといいこと
このページの計算を「意味がわかって」使えるようになるために、前提として理解しておくといいことをまとめました。
つまずいたら、この表の内容に戻って復習するのが近道です。
| 円の面積と円周率(小学5〜6年) |
|
| 円柱・円錐の体積(小学6年〜中学1年) |
|
| 関数とグラフ(中学1〜2年) |
|
| 式の展開(中学3年〜高校 数学I) |
|
| 定積分(高校 数学II) |
|
| 分数の計算(小学5年〜中学1年) |
|
Excelで計算する方法
| 下端 a | 0 |
| 上端 b | 2 |
| xの係数 c1 | 1 |
| 定数項 c0 | 0 |
| {f(x)}² の定積分(πを掛ける前) | =B3^2*(B2^3-B1^3)/3+B3*B4*(B2^2-B1^2)+B4^2*(B2-B1) |
| 回転体の体積 V | =PI()*B5 |
| 断面の半径 f(x) の値 | 2 |
| 断面積 S(x) | =PI()*B1^2 |
| 底面の半径 r | 2 |
| 高さ h | 2 |
| 円錐の体積 V | =PI()*B1^2*B2/3 |
「^」はべき乗、「PI()」は円周率 π を返すExcelの関数です。
1つ目の表は、{f(x)}² = (c₁x + c₀)² = c₁²x² + 2c₁c₀x + c₀² を項ごとに積分した式です。例の f(x) = x を 0 から 2 まで回転させると(円錐)、体積は約 8.37758(= 8π/3)になります。
2つ目の表は、輪切りの断面積 π × 半径² を求める表です。半径 2 なら約 12.566(= 4π)になります。
3つ目の表は円錐の体積の公式で、半径 2・高さ 2 を入れると1つ目の表と同じ約 8.37758 になり、積分の結果が正しいことを確かめられます。
Googleスプレッドシートで計算する方法
| 下端 a | 0 |
| 上端 b | 2 |
| xの係数 c1 | 1 |
| 定数項 c0 | 0 |
| {f(x)}² の定積分(πを掛ける前) | =B3^2*(B2^3-B1^3)/3+B3*B4*(B2^2-B1^2)+B4^2*(B2-B1) |
| 回転体の体積 V | =PI()*B5 |
| 断面の半径 f(x) の値 | 2 |
| 断面積 S(x) | =PI()*B1^2 |
| 底面の半径 r | 2 |
| 高さ h | 2 |
| 円錐の体積 V | =PI()*B1^2*B2/3 |
Pythonで計算する方法
from fractions import Fraction
import math
# 回転させる範囲(3/4 のような分数は Fraction(3, 4) と書ける)
lower_end = Fraction(0) # 下端 a
upper_end = Fraction(2) # 上端 b
# f(x) の係数を低い次数から並べる [c0, c1, c2, ...]
# 例:f(x) = x → 定数項0, xの係数1
coefficients = [Fraction(0), Fraction(1)]
# {f(x)}² の係数(多項式どうしの掛け算で展開する)
squared = [Fraction(0)] * (2 * len(coefficients) - 1)
for i, ci in enumerate(coefficients):
for j, cj in enumerate(coefficients):
squared[i + j] += ci * cj
def antiderivative_value(x):
# {f(x)}² の原始関数 G(x) = Σ 係数/(k+1) × x^(k+1) の値(積分定数Cは省略)
total = Fraction(0)
for k, c in enumerate(squared):
total += c * x ** (k + 1) / (k + 1)
return total
integral = antiderivative_value(upper_end) - antiderivative_value(lower_end)
print(f"体積(πの前の分数): {integral} π")
print(f"体積(小数): {float(integral) * math.pi}")
数式記述言語(LaTeX等)での書き方(コピペ可)
V = π∫[a→b] {f(x)}² dx
V = \pi \int_{a}^{b} \{f(x)\}^{2}\,dx
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<mi>π</mi>
<msubsup><mo>∫</mo><mi>a</mi><mi>b</mi></msubsup>
<msup>
<mrow><mo>{</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>}</mo></mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>d</mi><mi>x</mi>
</mrow>
</math>
V = pi int_a^b (f(x))^2 dx
Pi Integrate[f[x]^2, {x, a, b}]
V := Pi*int(f(x)^2, x = a..b);
V = pi*int(f^2, x, a, b);
V = π∫_a^b (f(x))^2 dx
V = ∫[a→b] S(x) dx, S(x) = π{f(x)}²
V = \int_{a}^{b} S(x)\,dx, \quad S(x) = \pi\{f(x)\}^{2}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<msubsup><mo>∫</mo><mi>a</mi><mi>b</mi></msubsup>
<mi>S</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mi>d</mi><mi>x</mi>
<mo>,</mo>
<mspace width="1em"/>
<mi>S</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mi>π</mi>
<msup>
<mrow><mo>{</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>}</mo></mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</math>
V = int_a^b S(x) dx, S(x) = pi (f(x))^2
Integrate[Pi f[x]^2, {x, a, b}]
V := int(Pi*f(x)^2, x = a..b);
V = int(pi*f^2, x, a, b);
V = ∫_a^b S(x) dx, S(x) = π(f(x))^2
V = (1/3)πr²h
V = \dfrac{1}{3}\pi r^{2} h
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac>
<mi>π</mi>
<msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup>
<mi>h</mi>
</mrow>
</math>
V = 1/3 pi r^2 h
(1/3) Pi r^2 h
V := (1/3)*Pi*r^2*h;
V = pi*r^2*h/3;
V = (1/3)πr^2 h
ChatGPT に聞いて計算してもらう方法
あなたは数学(微分積分)の計算アシスタントです。次の計算を、必ずPythonコードを実際に実行して行い、実行結果の数値だけを根拠に回答してください(暗算や推測で答えないでください)。
曲線 y = x² + 1 の x = -1 から x = 1 までの部分を x 軸の周りに1回転させてできる回転体の体積 V = π∫[-1→1] (x² + 1)² dx を計算してください。
次の内容をそれぞれ示してください。
1. {f(x)}² を展開した多項式
2. その原始関数 G(x)(積分定数Cは省略してよい)
3. G(1) と G(-1) の値(約分済みの分数で)
4. 体積 V(「分数 × π」の厳密な形と小数の両方で)
Pythonでは標準ライブラリの fractions モジュールを使って厳密に計算し、計算に使った式と実行結果の数値を示してください。
計算ドリル(演習問題)
このページの式を、自分の手で計算できるようになるための演習問題です。
どの問題も、曲線と \(x\) 軸の間の部分を \(x\) 軸の周りに1回転させます。
答えと解説は解答ページにあります。
使い方
-
1数値を入力計算したい数値を入力欄に入力します
-
2計算「計算する」ボタンを押します
-
3結果を確認計算結果がその場に表示されます。計算の考え方や式の解説も同じページで確認できます
DataChefの特徴
専門知識不要、直感的で簡単な操作
個人情報を登録することなく使用できます
「ダウンロード」押下でファイルを自動削除
クレジット表記不要
商用利用許諾の連絡も不要です
