x軸の上下にまたがる図形の回転体(B)
★★☆☆☆☆☆(章末問題) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: x軸の上下にまたがる図形の回転体(A) (★★☆☆☆☆☆(章末問題))
問題
2 曲線 $y=\sin x$,$y=\cos x-1$ と直線 $x=\dfrac{\pi}{2}$ で囲まれた部分を,$x$ 軸のまわりに 1 回転してできる立体の体積を求めよ.
$0\leqq x\leqq\dfrac{\pi}{2}$ で $\cos x-1\leqq 0\leqq\sin x$ であり,2 曲線は原点で交わる.囲まれた部分は $x$ 軸の上下にまたがる(下図).
$x$ 軸より下の部分を折り返すと,$y=1-\cos x$ となる.$0\leqq x\leqq\dfrac{\pi}{2}$ で
\[ \sin x-(1-\cos x)=\sin x+\cos x-1=\sqrt{2}\sin\left(x+\frac{\pi}{4}\right)-1 \]
$\dfrac{\pi}{4}\leqq x+\dfrac{\pi}{4}\leqq\dfrac{3}{4}\pi$ であるから $\sqrt{2}\sin\left(x+\dfrac{\pi}{4}\right)\geqq 1$ で,$1-\cos x\leqq\sin x$ である.よって,回転体は曲線 $y=\sin x$ による回転体に一致する.
\[ V=\pi\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^2x\,dx=\pi\cdot\frac{\pi}{4}=\frac{\pi^2}{4} \]
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