バームクーヘン積分とは？回転体の体積を求める公式・図解・導出

バームクーヘン積分とは，回転体の体積を薄い殻（シェル）に分けて積分する方法です．

「バームクーヘン積分」を含む様々な立体の体積の計算例は，こちらの記事（立体の体積の求め方まとめ）で詳しく紹介しています．

バームクーヘン積分とは何か？

回転体の体積をバームクーヘンのような薄皮に分割して足し上げることで計算する方法は「バームクーヘン積分」と呼ばれます．

英語だとShell integrationやShell method（シェル法）と呼ばれているようです．立体をShell（殻）に分割して足し上げるイメージにピッタリの名前ですね．

バームクーヘン積分の公式

回転体

バームクーヘン積分

「区間$[a,b]$における$f$の値」と「$x$軸」で囲まれる領域の$y$軸周りに回転させてできた立体の体積は

\begin{aligned}
2\pi\int_{a}^{b} xf(x) \,\mathrm{d}x
\end{aligned}

で与えられる．

また，この公式は以下のように変形することができます：

\begin{aligned}
&2\pi\int_{a}^{b} xf(x) \,\mathrm{d}x \\
&=2\pi
\cdot \frac{\int_a^b x f(x) \,\mathrm{d}x}{\int_a^b f(x) \,\mathrm{d}x}
\cdot \int_a^b f(x) \,\mathrm{d}x \\
&=2\pi \times (\text{領域の重心}) \times (\text{領域の面積})
\end{aligned}

バームクーヘン積分の幾何的な意味

バームクーヘン積分の幾何的な意味

区間$[x,x+\mathrm{d}x]$にある微小な領域の体積

\begin{aligned}
2\pi x \times f(x)\times \mathrm{d}x
% \label{eq:volume-of-shell}
\tag{1}
\end{aligned}

を区間$[a,b]$で足し上げるという意味です：

\begin{aligned}
&\sum 2\pi x \times f(x)\times \mathrm{d}x \\
&\rightarrow \int_a^b 2\pi x f(x) \mathrm{d}x
\end{aligned}

---

【補足】
式(1)は 3辺の長さが「$2\pi x$, $f(x)$, $\mathrm{d}x$」の直方体の体積と考えるのが簡単です．あるいは，外側の円柱から内側の円柱をくり抜いたと考えれば

\begin{aligned}
&\pi (x+\mathrm{d}x )^2 f(x)
-\pi x^2 f(x) \\
&= 2\pi x f(x) \mathrm{d}x +\underset{\text{微小量}}{\underline{ \pi \left(\mathrm{d}x \right)^2 f(x)}}
\end{aligned}

と求めることができます（$(\mathrm{d}x)^2$は微小量なので無視）．

バームクーヘン積分の証明

高校数学の知識で示す方法は考え中．．．

極座標への変数変換の知識（大学教養程度）があれば，次の方法で簡単に示せます．

• 【実用例】面積・体積の計算法 - Notes_JP