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円周率πはどこへ消えた?

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円絡みの問題で求まる面積から消えるπについて

わかりません。

問題

xyz空間において、
x2+y2=1,z>0,x<0,z<xを満たす下図のような図形の面積Sを求めよ。
Cuttube/Desmsos Cuttube/Desmsos

どのような求め方をしても良いのですが、一例として
S=0πsinθdθ=2
なんと面積にπが現れず整数で答えが出てきました。
どうしてでしょうか?直感的にはわかりません。
切られて取り除かれた方の筒の体積は2π2となり、
これもまた、奇妙です。πの要素を押し付けた感じです。

縦方向に一般化してみる

arcsinxsinxの定義域がπ2xπ2の逆関数である。

さっきの図に対して、下と上の範囲を決めその面積を求める
1αβ1
Sα,β=21β2+πβ2βarcsinβ+21α2πα+2αarcsinα

普通に積分しました。

さっきの問題に適用すると
α=0,β=1
S0,1
=2112+π2arcsin1+21020π+20arcsin0
=π2π2+2=2
と合ってます。
β=1の代入部分だけでπが打ち消しあい、値が0に。
α=0の代入で、πの出現する可能性が高い項は消え、2に。

αβ(0,1)以外のsinの有名角の値で、答えにπ成分が出ないものは無さそうです。

似た話(ヒポクラテスの三日月)

円絡みなのにπが消えることで有名な図形です。

斜線の面積は直角三角形の面積と等しい。
moon moon

これは直感的に、122+92=152から察するようにπ同士が打ち消しあってる感じは伝わってくるのですが、さっきの問題はあまりピンときません。

最後に

読んで頂きありがとうございました。
なんとなく、平面図形と違って立体で積分して面積を求める過程が感覚的に身についていないから理解するのが難しいような気がします。納得のできる説明を自分でも模索中です。
「そんなの当たり前じゃん」って思ってる方が居ましたらご教授お願いいたします。

投稿日:31日前
更新日:29日前
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Spark
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浪人生/数学バトルがあるとしたら県大会予選落ちレベル

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