# 绕非坐标轴旋转的垫圈法

> AP 微积分 AB · 积分的应用
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-calculus-ab-u8-washer-method-around-other-axes/

本讲解介绍了计算绕非坐标水平轴和垂直轴旋转体体积的垫圈法，包括如何调整平移轴的半径计算，以及如何为AP微积分AB考试正确建立和计算积分。

**先修:** [绕坐标轴旋转的圆盘法与垫圈法](https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-calculus-ab-u8-disk-washer-coordinate-axes/); [建立两条曲线之间面积的定积分](https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-calculus-ab-u8-area-between-curves/); 通过微积分基本定理计算定积分

## 学习目标

- 正确识别绕非坐标轴旋转时的外半径和内半径
- 绕平移后的水平/垂直轴旋转时，正确建立体积的定积分
- 准确计算绕平移轴旋转问题的体积积分
- 当旋转轴位于两条边界曲线之间时，避免常见错误

## 核心概念：非坐标轴旋转的垫圈法

垫圈法用于计算有界二维区域绕固定直线旋转形成的立体体积。当旋转轴不是x轴（$y=0$）或y轴（$x=0$）时，我们只需要调整半径的计算方式，方法的核心逻辑保持不变。和绕坐标轴旋转一样，我们先求出每个垂直截面垫圈的面积，再沿立体的长度对面积积分得到总体积。

**垫圈横截面** — 由两条曲线之间的区域旋转形成的旋转体的垂直横截面，外边缘为圆形，内部有圆形孔洞。面积公式恒为 $\\text{Area} = \pi(R^2 - r^2)$，其中 $R$ = 外半径（旋转轴到最远曲线的距离），$r$ = 内半径（旋转轴到最近曲线的距离），二者均为正数。

## 绕水平轴旋转 ($y=k$)

水平旋转轴的形式为$y = k$，其中$k$为非零常数。垂直于水平轴的横截面是竖直切片，因此我们始终对$x$积分。半径是曲线和轴之间的正距离，因此我们总是用较大坐标减去较小坐标得到正值。

如果整个区域都在轴$y=k$上方，在$x \in [a,b]$上上方边界为$y=f(x)$，下方边界为$y=g(x)$，体积公式为：

$$V = \pi \int_a^b \left[ (f(x) - k)^2 - (g(x) - k)^2 \right] dx$$

如果整个区域都在轴下方，离轴最远的曲线是下边界，因此公式会相应调整。

**例题:** 求由$y = x$、$y = 0$和$x = 4$围成的区域绕水平轴$y = -1$旋转形成的立体体积。

1. 绘制区域：这是一个顶点在$(0,0)$、$(4,0)$和$(4,4)$的直角三角形。整个区域都在旋转轴$y=-1$上方。
2. 计算位置$x$处竖直切片的半径：离$y=-1$最远的曲线是上边界$y=x$，因此：
3. $$R = x - (-1) = x+1$$
4. 最近的曲线是下边界$y=0$，因此：
5. $$r = 0 - (-1) = 1$$
6. 在区间$x \in [0,4]$上建立体积积分：
7. $$V = \pi \int_0^4 \left[ (x+1)^2 - 1^2 \right] dx$$
8. 化简并计算：展开$(x+1)^2 = x^2 + 2x +1$，因此被积函数化简为$x^2 + 2x$，用幂函数积分法则计算：
9. $$\int_0^4 (x^2 + 2x) dx = \left[ \frac{x^3}{3} + x^2 \right]_0^4 = \frac{64}{3} + 16 = \frac{112}{3}$$
10. 乘以$\pi$得到最终体积：
11. $$V = \frac{112}{3}\pi \approx 117.29$$

> **考试提示:** 务必快速绘制区域和旋转轴的草图，避免半径计算时减法顺序错误。哪怕只花1分钟绘图，也能发现绝大多数符号错误。

*计算器:* allowed

## 绕垂直轴旋转 ($x=h$)

垂直旋转轴的形式为$x = h$，其中$h$为非零常数。垂直于垂直轴的横截面是水平切片，因此我们始终对$y$积分。和水平旋转一样，半径是旋转轴到边界曲线的正距离。

如果整个区域都在轴的右侧，在$y \in [c,d]$上右边界为$x=f(y)$，左边界为$x=g(y)$，体积公式为：

$$V = \pi \int_c^d \left[ (f(y) - h)^2 - (g(y) - h)^2 \right] dy$$

如果整个区域都在轴的左侧，离轴最远的曲线是左边界，因此公式会相应调整。这里最常见的错误是，在建立积分前没有把$y=f(x)$形式的曲线改写为y的函数。

**例题:** 求由$y = x^2$、$y=0$和$x=2$围成的区域绕垂直轴$x=3$旋转形成的立体体积。

1. 绘制区域：这是抛物线从$x=0$到$x=2$下方的区域，y的范围是$y \in [0,4]$。整个区域都在旋转轴$x=3$左侧。
2. 将边界曲线改写为y的函数：
3. $$x = \sqrt{y}$$
4. 计算位置y处水平切片的半径：离$x=3$最远的曲线是左边界$x=0$，因此：
5. $$R = 3 - 0 = 3$$
6. 最近的曲线是右边界$x = \sqrt{y}$，因此：
7. $$r = 3 - \sqrt{y}$$
8. 在$y \in [0,4]$上建立并计算积分：
9. $$V = \pi \int_0^4 \left[ 3^2 - (3 - \sqrt{y})^2 \right] dy$$
10. 展开被积函数：$9 - (9 - 6\sqrt{y} + y) = 6y^{1/2} - y$，积分得：
11. $$\int_0^4 (6y^{1/2} - y) dy = \left[ 4y^{3/2} - \frac{y^2}{2} \right]_0^4 = 4(8) - 8 = 24$$
12. 乘以$\pi$得到最终体积：
13. $$V = 24\pi \approx 75.40$$

> **考试提示:** 绝对不要在$dy$积分中保留$x$项（或在$dx$积分中保留$y$项）。在建立体积表达式前，一定要解出正确的变量。

*计算器:* allowed

## 旋转轴位于两条曲线之间

在很多AP考题中，旋转轴位于区域的两条边界曲线之间，而非整个区域都在轴的一侧。一条曲线在轴的上方/右侧，另一条在轴的下方/左侧，因此我们需要分别从轴开始测量每个半径。核心规则$V = \pi \int (R^2 - r^2)$不变，仅每个半径的计算方式改变。

对于水平轴$y=k$，在区间$[a,b]$上$f(x)$在轴上方，$g(x)$在轴下方，体积公式为：

$$V = \pi \int_a^b \left[ (f(x) - k)^2 - (k - g(x))^2 \right] dx$$

**例题:** 区域R由$y = x + 2$和$y = x^2$围成，$x \in [-1, 2]$。求R绕水平轴$y=1$旋转后的体积。

1. 确认轴的位置：对于所有$x \in [-1, 2]$，都有$x^2 < 1 < x+2$，因此轴$y=1$位于两条边界曲线之间。
2. 计算半径：上曲线$y = x+2$在轴上方，因此外半径：
3. $$R = (x+2) - 1 = x+1$$
4. 下曲线$y=x^2$在轴下方，因此内半径：
5. $$r = 1 - x^2$$
6. 建立积分：
7. $$V = \pi \int_{-1}^2 \left[ (x+1)^2 - (1 - x^2)^2 \right] dx$$
8. 化简并计算：展开被积函数：$(x^2 + 2x +1) - (1 - 2x^2 + x^4) = -x^4 + 3x^2 + 2x$，积分得：
9. $$\int_{-1}^2 (-x^4 + 3x^2 + 2x) dx = \left[ -\frac{x^5}{5} + x^3 + x^2 \right]_{-1}^2 = \frac{27}{5}$$
10. 乘以$\pi$得到最终体积：
11. $$V = \frac{27}{5}\pi = 5.4\pi \approx 16.96$$

> **warning**
>
> 不要将$ (f(x)-k)^2 - (k-g(x))^2 $化简为$(f(x)-g(x))^2$ —— 二者并不等价，这个常见错误一定会得到错误的体积。

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## AP风格练习题检测

**概念自测**

检测你对平移轴积分建立的理解：

1. 区域R由$y = 2x$、$y = 0$和$x = 3$围成。以下哪个表达式是R绕直线$y = 6$旋转形成的立体体积？

   - A) $\pi \int_0^3 \left[ 6^2 - (6 - 2x)^2 \right] dx$
   - B) $\pi \int_0^3 \left[ (2x - 6)^2 - 0^2 \right] dx$
   - C) $\pi \int_0^6 \left[ 6^2 - (6 - 2x)^2 \right] dy$
   - D) $\pi \int_0^3 \left[ 6^2 - (2x)^2 \right] dx$

   *解析:* 旋转轴是水平的，因此我们在区间$[0,3]$上对$x$积分。整个区域都在$y=6$下方，因此外半径$R=6-0=6$，内半径$r=6-2x$，得到正确表达式。其他选项：B交换了半径，C使用了错误变量，D内半径计算错误。

**例题:** 一名机械师将由$y = \frac{1}{4}x^2$、$y=0$和$x=4$（单位：cm）围成的横截面绕垂直轴$x=5$旋转，制作出一个实心金属零件。求最终零件的总体积，结果保留一位小数，单位为cm³？

1. 旋转轴是垂直的，因此对y积分。区域y的范围是$y \in [0,4]$（当$x=4$时，$y=4$）。
2. 将边界改写为y的函数：
3. $$x = 2\sqrt{y}$$
4. 整个区域都在$x=5$左侧，因此外半径$R = 5-0=5$，内半径$r=5-2\sqrt{y}$。
5. 建立体积积分：
6. $$V = \pi \int_0^4 \left[ 5^2 - (5 - 2\sqrt{y})^2 \right] dy$$
7. 展开被积函数：$25 - (25 - 20\sqrt{y} + 4y) = 20y^{1/2} - 4y$，积分得：
8. $$\int_0^4 (20y^{1/2} - 4y) dy = \left[ \frac{40}{3}y^{3/2} - 2y^2 \right]_0^4 = \frac{224}{3} \approx 74.667$$
9. 乘以$\pi$得到最终体积：
10. $$V \approx 74.667 \times 3.1416 \approx 234.6$$
11. 零件的总体积约为234.6 cm³。

*计算器:* allowed

## 常见错误

- **错误做法:** 当曲线在轴的下方/左侧时，直接用曲线减轴，平方前留下负号。
  - 原因: 学生死记硬背'半径=曲线减轴'，忘记距离永远是非负的。
  - 正确做法: 始终用$\left| \text{曲线坐标} - \text{轴坐标} \right|$计算半径；平方 anyway 会消除负号，绝对值保证半径为正。
- **错误做法:** 绕垂直轴旋转时对x积分，绕水平轴旋转时对y积分。
  - 原因: 学生默认使用曲线给出的变量，而不是根据轴的方向匹配变量。
  - 正确做法: 建立积分前，确认：水平轴对x积分，垂直轴对y积分。
- **错误做法:** 当轴在两条曲线之间时，写成$V = \pi \int (f(x)-g(x))^2 dx$。
  - 原因: 学生错误地先将曲线相减，假设它们都在轴的同一侧。
  - 正确做法: 始终分别从旋转轴测量每个半径，然后根据垫圈面积公式平方、相减。
- **错误做法:** 对y积分时，仍保留曲线形式$y=f(x)$，导致积分中出现混合变量。
  - 原因: 学生快速答题时，为了节省时间跳过求解正确变量的步骤。
  - 正确做法: 如果对y积分，在计算半径前，将所有边界曲线改写为y的显函数。
- **错误做法:** 交换外半径和内半径，导致被积函数为负。
  - 原因: 学生不验证就猜测哪条曲线离轴更远。
  - 正确做法: 确定半径后，在区间中选一个测试点，确认$R > r$后再建立积分。

## 速查表

| 分类 | 公式 | 说明 |
| --- | --- | --- |
| 通用垫圈体积 | $V = \pi \int_a^b (R^2 - r^2) du$ | $u$ = 平行于旋转轴的积分变量；$R$ = 外半径，$r$ = 内半径（均为正距离） |
| 半径计算 | $r = \big\| \text{曲线坐标} - \text{轴坐标} \big\|$ | 适用于任何轴位置，避免负半径错误 |
| 水平$y=k$（区域全在同侧） | $V = \pi \int_a^b \left[ (f(x)-k)^2 - (g(x)-k)^2 \right] dx$ | $f(x)$为上边界，$g(x)$为下边界；若区域全在$y=k$下方则调整减法顺序 |
| 水平$y=k$（轴在曲线之间） | $V = \pi \int_a^b \left[ (f(x)-k)^2 - (k - g(x))^2 \right] dx$ | $f(x)$在轴上方，$g(x)$在轴下方 |
| 垂直$x=h$（区域全在同侧） | $V = \pi \int_c^d \left[ (f(y)-h)^2 - (g(y)-h)^2 \right] dy$ | $f(y)$为右边界，$g(y)$为左边界；若区域全在$x=h$左侧则调整减法顺序 |
| 垂直$x=h$（轴在曲线之间） | $V = \pi \int_c^d \left[ (f(y)-h)^2 - (h - g(y))^2 \right] dy$ | $f(y)$在轴右侧，$g(y)$在轴左侧 |

## 下一步

掌握绕非坐标轴旋转的垫圈法后，接下来你会将这种测量距离的核心技巧应用到求旋转体体积的柱壳法，再推广到已知截面求体积。正确识别平移轴对应的半径是所有后续体积问题的关键基础，因为它们都依赖相同的测量曲线和固定参考轴之间距离的技巧。这个知识点在AP微积分AB考试中占比很高，你在这里学到的技巧几乎可以迁移到所有其他积分应用主题。

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