一、题目![题目 - 荒原之梦](https://documents.zhaokaifeng.com/uploads/2017/06/06/f68a9e590526998388b0f9b71bd5d3f73dda4ed9764819fe8f36488fa537e9b9499f465fd201d7c117b8901c3ad071915a34a688058a739ebc39835753a8d7cc.svg)
已知,区域 $D$ $=$ $\left\{ ( x , y ) \mid ( x – 2 ) ^ { 2 } + y ^ { 2 } \leqslant 1 \right\}$, 则 $D$ 绕 $Y$ 轴旋转一周所得旋转体的体积是多少?
难度评级:
一、前言 ![前言 - 荒原之梦](https://documents.zhaokaifeng.com/uploads/2017/06/06/27d32864d84c052488cc5282d2051ce384fc5da0a8d27fd8250711674382591b80cf1f6df48c8b93891fe0874a5a5739d1bf2be3246a1c8cf0274958030b1195.svg)
首先,区域 $D$ 其实就是一个圆形面,如图 01 所示:
如果将这个圆形绘制在三维空间中,看上去就是如图 02 所示的红色圆圈:
![这个旋转体是个“甜甜圈”!你会求这个甜甜圈的体积吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 02.](https://documents.zhaokaifeng.com/uploads/2024/05/11/70d37a1601a1aa826194d40160ead98ba00bf5ed7bd21ed5dbf7b15c16f67e92d6ff97c13c358741b1d0878f77397d14b9713bda22a8e177cee0129146399970.webp)
如果让这个区域 $D$ 绕 $Y$ 轴旋转一周,那么,就会形成如图 03 所示的绿色甜甜圈(不知道这个“绿色甜甜圈”好不好吃啊^v^):
![这个旋转体是个“甜甜圈”!你会求这个甜甜圈的体积吗?| 荒原之梦考研数学 | 图 03.](https://documents.zhaokaifeng.com/uploads/2024/05/11/9f4d05067645652670e53e8e40ccd605a137d6fb97b266500ba5d05c3ef9f6958be3a30dfa8e702fd2e58b2fb41e75c97bc2adc45af11808bd08dd29e3e56567.webp)
Note
荒原之梦考研数学坚持“讲究”不“将就”,同学们检查一下可以发现,上面的图 02 和图 03 无论在图片的尺寸,还是坐标轴的相对位置上,都是一个像素都不差的,完全一致。
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由 $( x – 2 ) ^ { 2 } + y ^ { 2 }$ $=$ $1$, 我们可得:
$$
\begin{cases}
& y = \sqrt{1- (x-2)^{2}} \\ \\
& y = – \sqrt{1 – (x-2)^{2}}
\end{cases}
$$
其中,$y$ $=$ $\sqrt{1- (x-2)^{2}}$ 绕 $Y$ 轴旋转一圈之后,得到的其实是“甜甜圈”位于 $Y$ 轴正半轴所在空间中的面积,也就是这个“甜甜圈”的一半,因此,如果我们用 $y$ $=$ $\textcolor{springgreen}{\sqrt{1- (x-2)^{2}}}$ 作为被积函数,那么,就需要乘以 $\textcolor{orangered}{2}$ 才能得到“甜甜圈”真正的体积。
Important
旋转体体积的计算几乎是每年考研的必考知识点,同学们一定要熟练掌握这部分内容的计算公式和常见题型。
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好啦,接下来就是利用绕 $Y$ 轴旋转的旋转体体积求解公式进行计算了:
$$
\begin{aligned}
V \\ \\
& = \textcolor{orangered}{2} \cdot 2 \pi \cdot \int _ { 1 } ^ { 3 } x \cdot \textcolor{springgreen}{\sqrt { 1 – ( x – 2 ) ^ { 2 } } \mathrm { ~ d } x} \\
& \underrightarrow{x – 2 = t \ } \quad 4 \pi \int _ { – 1 } ^ { 1 } ( t + 2 ) \sqrt { 1 – t ^ { 2 } } \mathrm { ~ d } t \\ \\
& = \textcolor{blue}{4 \pi \int _ { – 1 } ^ { 1 } t \sqrt { 1 – t ^ { 2 } } \mathrm { ~ d } t} + 8 \pi \int _ { – 1 } ^ { 1 } \sqrt { 1 – t ^ { 2 } } \mathrm { ~ d } t \\ \\
& = \textcolor{blue}{0} + 1 6 \pi \int _ { 0 } ^ { 1 } \sqrt { 1 – t ^ { 2 } } \mathrm { ~ d } t \\ \\
& = 1 6 \pi \times \frac { 1 } { 4 } \pi \times 1 ^ { 2 } = 4 \pi ^ { 2 }
\end{aligned}
$$
综上可知,$D$ 绕 $Y$ 轴旋转一周所得旋转体的体积是:$4 \pi ^ { 2 }$