題目
Problem
6. Let R be the region bounded by the curve y=x2−x7 and the x-axis. Find the volume of the solid obtained by rotating R about the line x=3. (10%)
解答
解法一:剝殼法(Cylindrical Shell Method)
思路
展開
- 第一步:求平面區域 R 與 x 軸的交點以確定積分區間:
- 令 y=x2−x7=x2(1−x5)=0。
- 因為 x≥0(在圓週上),解得 x=0 與 x=1。
- 故積分區間為 x∈[0,1]。
- 第二步:選取體積積分方法:
- 區域 R 圍繞垂直線 x=3 旋轉。
- 因為旋轉軸平行於 y 軸,且函數已給出 y=f(x),使用剝殼法 (Cylindrical Shell Method) 是最方便的。
- 剝殼法公式為:
V=∫ab2π⋅(平均半徑)⋅(高度)dx
- 平均半徑:旋轉軸為 x=3,在區間 [0,1] 內任意點 x 到旋轉軸的距離為 3−x。
- 高度:即為函數值 y=x2−x7。
- 第三步:寫出定積分並展開計算:
V=∫012π(3−x)(x2−x7)dx
答題過程
展開
首先,我們尋找曲線 y=x2−x7 與 x 軸(y=0)的交點,以確定旋轉區域的範圍:
x2−x7=0⟹x2(1−x5)=0
解得在實數範圍內的交點為:
x=0與x=1
因此,積分區間為 x∈[0,1]。
因為我們是將此區域繞垂直線 x=3 旋轉,使用剝殼法(Cylindrical Shell Method)最為直接。
在任意 x∈[0,1] 處,薄圓柱殼的:
- 半徑(Radius): r(x)=3−x
- 高度(Height): h(x)=x2−x7
根據剝殼法公式,旋轉體體積 V 為:
V====∫012π⋅r(x)⋅h(x)dx2π∫01(3−x)(x2−x7)dx2π∫01(3x2−3x7−x3+x8)dx2π[x3−83x8−41x4+91x9]01
代入上限 1 與下限 0:
V===2π(1−83−41+91)2π(7272−27−18+8)2π(7235)=3635π
結論:
旋轉體體積為 3635π。