圆盘法 — 绕 x 轴旋转

将旋转体切成无数个薄圆盘,每个圆盘的半径为 f(x),叠加所有圆盘体积即得旋转体体积。

核心公式

圆盘半径 \(r = f(x)\),厚度 \(dx\),体积微元 \(dV = \pi[f(x)]^2\,dx\)

\(\displaystyle V = \int_a^b \pi[f(x)]^2\,dx\)
选择函数
圆盘切片数
8
近似体积
精确体积
误差
观察:增大 n,圆盘越多越薄,"台阶"消失,近似体积逼近精确值!
旋转体截面视图
圆盘截面 上轮廓线 虚线: 下轮廓(镜像)

壳法 — 绕 y 轴旋转

将区域竖直切成薄条,每条绕 y 轴旋转形成圆柱壳,叠加所有壳体积即得旋转体体积。

核心公式

壳半径 \(r = x\),壳高 \(h = f(x)\),壳厚 \(dx\)

\(\displaystyle V = \int_a^b 2\pi x \cdot f(x)\,dx\)

函数:\(f(x) = x^2\),区间 \([0, 1]\)

精确体积:\(\displaystyle V = 2\pi\int_0^1 x \cdot x^2\,dx = 2\pi\cdot\frac{1}{4} = \frac{\pi}{2}\)

圆柱壳数量
8
近似体积
精确 π/21.5708
误差
壳法优势:当绕 y 轴旋转时,若 f(x) 难以反解成 x = g(y),壳法可直接对 x 积分,避免反函数的麻烦。
圆柱壳侧视图
圆柱壳(侧视) 曲线 y = x²

圆盘法 vs 壳法 — 方法对比

对同一旋转体,圆盘法和壳法殊途同归,得到相同的体积值。理解何时选择哪种方法是关键。

对比函数

函数:\(f(x) = x^2\),区间 \([0, 1]\)

绕 x 轴(圆盘法):\(\displaystyle V_x = \int_0^1 \pi(x^2)^2\,dx = \frac{\pi}{5}\)

绕 y 轴(壳法):\(\displaystyle V_y = \int_0^1 2\pi x \cdot x^2\,dx = \frac{\pi}{2}\)

切片数
10
圆盘法(绕x轴)近似
精确 π/50.6283
壳法(绕y轴)近似
精确 π/21.5708
圆盘误差
壳法误差
如何选择方法?
1. 绕 x 轴旋转:优先考虑圆盘法(对 x 积分)
2. 绕 y 轴旋转:优先考虑壳法(对 x 积分,无需反函数)
3. 两种方法结果相同,选择积分更简单的方法
圆盘法视图(绕 x 轴)
圆盘截面 y = x² 绕 x 轴
壳法视图(绕 y 轴)
圆柱壳 y = x² 绕 y 轴