在
xOy 平面上,将两个半圆弧
(x−1)2+y2=1 (
x⩾1)和
(x−3)2+y2=1(
x⩾3),两条直线
y=1 和
y=−1 围成的封闭图形记为
D,如图中阴影部分. 记
D 绕
y 轴旋转一周而成的几何体为
Ω,过
(0,y) (
∣y∣⩽1)作
Ω 的水平截面,所得截面面积为
4π1−y2+8π,试利用祖暅原理,一个平放的圆柱和一个长方体,得出
Ω 的体积为______.
\begin{answer}
2π2+16π
\end{answer}
\begin{solution}
考虑一个半径为
1、轴向长度为
2π 的平放圆柱. 在高度
y(
∣y∣⩽1)处,其水平截面为矩形,面积为
2π⋅21−y2=4π1−y2
再取一个高为
2、水平截面面积恒为
8π 的长方体. 两者组成的几何体在每个
∣y∣⩽1 处的水平截面面积均为
4π1−y2+8π
与
Ω 的对应截面面积相等. 由祖暅原理,
V(Ω)=π⋅12⋅2π+8π⋅2=2π2+16π
\end{solution}