Volume d'un solide de révolution

Méthodes des disques et des rondelles avec solutions détaillées

Introduction aux solides de révolution

Apprenez à trouver le volume d'un solide de révolution généré par la rotation d'une région délimitée par des courbes autour de l'axe des x ou de l'axe des y. Ce tutoriel utilise des intégrales définies et couvre à la fois la méthode des disques (pour les formes pleines) et la méthode des rondelles (pour les formes à centre creux), avec des formules, des figures visuelles et des problèmes pratiques étape par étape.

Dans ce qui suit, \( C \) représente la constante d'intégration.

Formules de volume

Formule 1 : Méthode des disques (Autour de l'axe des x)

Si \( f \) est une fonction telle que \( f(x) \geq 0 \) pour tout \( x \) dans l'intervalle \( [x_1 , x_2] \), le volume du solide généré par la rotation autour de l'axe des x de la région délimitée par le graphique de \( f \), l'axe des x (\( y = 0 \)) et les droites verticales \( x = x_1 \) et \( x = x_2 \) est donné par :

\[ \text{Volume} = \int_{x_1}^{x_2} \pi [f(x)]^2 \, dx \]
Volume d'un solide de révolution généré par la rotation d'un triangle autour de l'axe des x
Figure 1. Solide généré par la rotation d'un triangle autour de l'axe des x.

Formule 2 : Méthode des rondelles (Autour de l'axe des x)

Si \( f \) et \( h \) sont des fonctions telles que \( f(x) \geq h(x) \) pour tout \( x \) dans l'intervalle \( [x_1 , x_2] \), le volume du solide généré par la rotation autour de l'axe des x de la région délimitée par les graphiques de \( f \) et \( h \) est donné par :

\[ \text{Volume} = \int_{x_1}^{x_2} \pi [f(x)^2 - h(x)^2] \, dx \]
Volume généré par la rotation de deux courbes autour de l'axe des x
Figure 2. Solide généré par la rotation de deux courbes délimitées autour de l'axe des x.

Formule 3 : Méthode des disques (Autour de l'axe des y)

Si \( z \) est une fonction de \( y \) telle que \( x = z(y) \) et \( z(y) \geq 0 \) pour tout \( y \) dans l'intervalle \( [y_1 , y_2] \), le volume généré par la rotation autour de l'axe des y de la région délimitée par \( z \), l'axe des y (\( x = 0 \)) et les droites horizontales \( y = y_1 \) et \( y = y_2 \) est :

\[ \text{Volume} = \int_{y_1}^{y_2} \pi [z(y)]^2 \, dy \]
Volume généré par la rotation d'une courbe autour de l'axe des y
Figure 3. Solide généré par la rotation d'une courbe autour de l'axe des y.

Formule 4 : Méthode des rondelles (Autour de l'axe des y)

Si \( z \) et \( w \) sont des fonctions de \( y \) telles que \( z(y) \geq w(y) \) pour tout \( y \) dans l'intervalle \( [y_1 , y_2] \), le volume généré par la rotation autour de l'axe des y de la région délimitée par \( z \) et \( w \) est donné par :

\[ \text{Volume} = \int_{y_1}^{y_2} \pi [z(y)^2 - w(y)^2] \, dy \]
Volume généré par la rotation de deux courbes autour de l'axe des y
Figure 4. Solide généré par la rotation de deux courbes délimitées autour de l'axe des y.

Exemples avec solutions détaillées

Cliquez sur chaque exemple pour afficher sa solution détaillée étape par étape.

Exemple 1

Trouvez le volume du solide généré par la rotation de la région délimitée par le graphique de \( y = x \), \( y = 0 \), \( x = 0 \) et \( x = 2 \) autour de l'axe des x.

Volume d'un solide de révolution généré par la rotation de y = x autour de l'axe des x
Figure 5. Rotation de \( y = x \) autour de l'axe des x.
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Méthode 1 : Formule géométrique

Puisque \( y = x \) forme un triangle, sa rotation crée un cône circulaire droit de rayon 2 et de hauteur 2. En utilisant la formule géométrique :

\[ \text{Volume} = \frac{1}{3} \pi (\text{rayon})^2 (\text{hauteur}) = \frac{1}{3} \pi (2)^2 (2) = \frac{8\pi}{3} \]

Méthode 2 : Intégrale définie (Méthode des disques)

Soit \( f(x) = x \). En utilisant la formule 1, le volume est donné par l'intégrale définie de 0 à 2 :

\[ \text{Volume} = \int_{0}^{2} \pi x^2 \, dx = \left[ \pi \frac{x^3}{3} \right]_0^2 = \frac{8\pi}{3} \]

Exemple 2

Trouvez le volume du solide généré par la rotation du demi-cercle \( y = \sqrt{r^2 - x^2} \) autour de l'axe des x, où \( r > 0 \).

Volume d'un solide de révolution généré par la rotation d'un demi-cercle autour de l'axe des x
Figure 6. Rotation d'un demi-cercle autour de l'axe des x.
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Le graphique de \( y = \sqrt{r^2 - x^2} \) est délimité de \( x = -r \) à \( x = r \). Le volume est donné par la méthode des disques (Formule 1) :

\[ \text{Volume} = \int_{-r}^{r} \pi \left(\sqrt{r^2 - x^2}\right)^2 \, dx = \int_{-r}^{r} \pi (r^2 - x^2) \, dx \]

Trouvez l'antidérivée et évaluez aux limites :

\[ = \pi \left[ r^2 x - \frac{x^3}{3} \right]_{-r}^r \] \[ = \pi \left[ \left(r^3 - \frac{r^3}{3}\right) - \left(-r^3 + \frac{r^3}{3}\right) \right] = \frac{4}{3} \pi r^3 \]

Ceci permet de déduire la formule bien connue du volume d'une sphère !

Exemple 3

Trouvez le volume du solide généré par la rotation de la région ombragée délimitée par \( y = x \), \( y = -x + 2 \) et l'axe des x autour de l'axe des y.

Volume d'un solide de révolution généré par un triangle autour de l'axe des y
Figure 7. Rotation d'une région triangulaire autour de l'axe des y.
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Puisque le solide est généré par rotation autour de l'axe des y, nous devons réécrire nos équations en fonction de \( y \) (\( x = z(y) \)). Les limites d'intégration le long de l'axe des y vont de \( y = 0 \) à \( y = 1 \) (là où les droites s'intersectent).

La courbe de droite est \( y = -x + 2 \implies x = 2 - y \).

La courbe de gauche est \( y = x \implies x = y \).

En utilisant la méthode des rondelles (Formule 4) :

\[ \text{Volume} = \int_{0}^{1} \pi [ (2-y)^2 - y^2 ] \, dy \]

Développez le binôme et simplifiez l'intégrande :

\[ = \int_{0}^{1} \pi [ 4 - 4y + y^2 - y^2 ] \, dy = \int_{0}^{1} \pi [ 4 - 4y ] \, dy \]

Intégrez et évaluez :

\[ = \pi \left[ 4y - 2y^2 \right]_0^1 = \pi (4 - 2) = 2\pi \]

Exemple 4

Trouvez le volume du solide généré par la rotation de la région délimitée par les courbes \( y = 1 + x^2 \) et \( y = \sqrt{x} \), autour de l'axe des x de \( x = 0 \) à \( x = 2 \).

Volume d'un solide de révolution généré par la rotation des courbes y = 1 + x^2 et y = racine carrée de x autour de l'axe des x
Figure 8. Rotation de la région entre \( y = 1 + x^2 \) et \( y = \sqrt{x} \).
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Nous utilisons la méthode des rondelles le long de l'axe des x (Formule 2). Soient \( f(x) = 1 + x^2 \) (le rayon extérieur) et \( h(x) = \sqrt{x} \) (le rayon intérieur).

\[ \text{Volume} = \int_{0}^{2} \pi ( f(x)^2 - h(x)^2 ) \, dx \] \[ = \int_{0}^{2} \pi \left( (1+x^2)^2 - (\sqrt{x})^2 \right) \, dx \]

Développez les carrés :

\[ = \pi \int_{0}^{2} ( 1 + 2x^2 + x^4 - x ) \, dx \]

Intégrez à l'aide de la règle des puissances :

\[ = \pi \left[ x + \frac{2x^3}{3} + \frac{x^5}{5} - \frac{x^2}{2} \right]_0^2 \]

Évaluez en \( x = 2 \) :

\[ = \pi \left( 2 + \frac{16}{3} + \frac{32}{5} - 2 \right) = \frac{176\pi}{15} \]

Exemple 5

Trouvez le volume du tore généré lorsque le cercle de centre \( (0, R) \) et de rayon \( r \) est mis en rotation autour de l'axe des x.

Volume d'un tore de révolution généré par la rotation d'un cercle autour de l'axe des x
Figure 9. Tore généré par la rotation d'un cercle autour de l'axe des x.
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L'équation du cercle est donnée par \( x^2 + (y - R)^2 = r^2 \).

Résolvez l'équation pour \( y \) afin d'obtenir les parties supérieure et inférieure du cercle :

  • Demi-cercle supérieur : \( f(x) = R + \sqrt{r^2 - x^2} \)
  • Demi-cercle inférieur : \( h(x) = R - \sqrt{r^2 - x^2} \)

En raison de la symétrie par rapport à l'axe des y, nous pouvons intégrer de \( x = 0 \) à \( x = r \), puis multiplier le résultat par 2 pour trouver le volume total. En utilisant la méthode des rondelles (Formule 2) :

\[ \frac{1}{2} \text{Volume} = \int_{0}^{r} \pi [ f(x)^2 - h(x)^2 ] \, dx \] \[ = \pi \int_{0}^{r} \left[ (R + \sqrt{r^2 - x^2})^2 - (R - \sqrt{r^2 - x^2})^2 \right] \, dx \]

En développant et en soustrayant les carrés, les termes \( R^2 \) et \( (r^2 - x^2) \) s'annulent, ce qui laisse :

\[ = 4 R \pi \int_{0}^{r} \sqrt{r^2 - x^2} \, dx \]

L'intégrale de \( \sqrt{r^2 - x^2} \) donne l'aire d'un quart de cercle, que nous pouvons résoudre en utilisant les règles standard de substitution trigonométrique :

\[ = 4 R \pi \left( \frac{1}{2} \right) \left[ x \sqrt{r^2-x^2} + r^2\arcsin\left(\frac{x}{r}\right) \right]_0^r \] \[ = 2 R \pi \left( r^2 \arcsin(1) - 0 \right) = 2 R \pi \left( r^2 \frac{\pi}{2} \right) = \pi^2 R r^2 \]

Puisque cela ne représentait que la moitié du tore, le volume total est le double du résultat ci-dessus :

\[ \text{Volume} = 2 \pi^2 R r^2 \]

(Remarque : Une légère erreur typographique dans la démonstration initiale de l'analyse pour le terme en arcsin a été corrigée ici pour plus de rigueur mathématique).

Exercices pratiques

Cliquez sur chaque exercice pour révéler la solution détaillée étape par étape.

Exercice 1

Trouvez le volume du solide généré lorsque la région entre les graphiques de \( f(x) = x^2 + 2 \) et \( h(x) = x \) est mise en rotation autour de l'axe des x sur l'intervalle \( [0, 1] \).

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Utilisez la méthode des rondelles autour de l'axe des x :

\[ \text{Volume} = \pi \int_{0}^{1} \left[ (x^2 + 2)^2 - (x)^2 \right] \, dx \] \[ = \pi \int_{0}^{1} (x^4 + 4x^2 + 4 - x^2) \, dx = \pi \int_{0}^{1} (x^4 + 3x^2 + 4) \, dx \]

Intégrez et évaluez aux bornes :

\[ = \pi \left[ \frac{x^5}{5} + x^3 + 4x \right]_0^1 = \pi \left( \frac{1}{5} + 1 + 4 \right) = \frac{26\pi}{5} \]

Exercice 2

Trouvez le volume généré lorsque la région finie délimitée par les courbes \( y = x^3 \) et \( y = x^2 \) est mise en rotation autour de l'axe des y.

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Tout d'abord, trouvez les points d'intersection en posant \( x^3 = x^2 \). Les courbes s'intersectent en \( x = 0 \) et \( x = 1 \), ce qui correspond à \( y = 0 \) et \( y = 1 \).

Puisque nous effectuons une rotation autour de l'axe des y, nous devons exprimer \( x \) en fonction de \( y \). Dans l'intervalle \( y \in [0, 1] \), \( y = x^3 \implies x = y^{1/3} \) est le rayon extérieur, et \( y = x^2 \implies x = y^{1/2} \) est le rayon intérieur.

Utilisez la méthode des rondelles autour de l'axe des y :

\[ \text{Volume} = \pi \int_{0}^{1} \left[ (y^{1/3})^2 - (y^{1/2})^2 \right] \, dy = \pi \int_{0}^{1} (y^{2/3} - y) \, dy \]

Intégrez et évaluez :

\[ = \pi \left[ \frac{3}{5}y^{5/3} - \frac{y^2}{2} \right]_0^1 = \pi \left( \frac{3}{5} - \frac{1}{2} \right) = \frac{\pi}{10} \]

Plus de liens et de références