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Pour les notions du cours et l’aide individuelle, consultez le tutorat MATH 205 à Concordia.
On peut trouver une primitive correcte et obtenir tout de même un volume erroné si l’intégrale décrit le mauvais solide. Ce guide commence par la région, l’axe de rotation et une section transversale. Le calcul vient après ces choix.
Vous apprendrez à distinguer disques et rondelles, à passer de tranches verticales à des tranches horizontales et à mesurer les rayons depuis un axe décalé. Trois exemples résolus utilisent la même région pour montrer exactement ce qui change. Six exercices vont d’une mise en équation directe à une région qui traverse son axe de rotation. Un complément facultatif compare ensuite rondelles et coquilles cylindriques avec un exemple résolu et trois courts exercices.
Avant de commencer, vous devriez savoir trouver des intersections simples, réécrire une fonction et calculer une intégrale définie. Pour l’étape de calcul, consultez le guide des méthodes d’intégration. Ici, l’objectif principal est de construire l’intégrale.
Cours : MATH 205 à Concordia et MATH 141 à McGill. Les exercices pour MATH 205 utilisent les disques et les rondelles. La section sur les coquilles est un complément facultatif. Utilisez votre plan de cours pour choisir les méthodes de calcul des volumes à travailler.
La contribution d’une section transversale
Un solide de révolution s’obtient en faisant tourner une région plane d’un tour complet autour d’une droite de son plan. Pour utiliser les disques ou les rondelles, on découpe le solide perpendiculairement à cet axe de rotation. La tranche de la région plane engendre alors une section circulaire.
Notons le rayon extérieur et le rayon intérieur de cette section. Ce sont des distances positives ou nulles depuis l’axe de rotation, avec . Notons l’aire de la section et le volume du solide. Le symbole désigne la constante habituelle du cercle.
Si la tranche atteint l’axe, la section n’a pas de trou central : c’est un disque, donc et . Si la tranche reste d’un seul côté de l’axe sans le toucher, la section est une rondelle, soit un disque extérieur dont on retire un disque intérieur :
La différence mesure l’épaisseur radiale de la rondelle. Ce n’est pas le rayon de la section entière. Par exemple, un rayon extérieur de 3 et un rayon intérieur de 2 donnent l’aire , tandis que décrit un autre disque.
Un morceau mince du solide a approximativement pour volume l’aire de sa section multipliée par son épaisseur. Pour une position et une petite largeur , cette contribution vaut environ . On additionne ces contributions, puis on prend la limite lorsque leurs largeurs tendent vers zéro :
Ici, et sont les première et dernière coordonnées des tranches. La notation indique que l’intégration se fait dans la direction des . Une aire multipliée par une longueur donne un volume : des unités carrées multipliées par des unités donnent des unités cubes.
Ces formules s’appliquent lorsque chaque tranche perpendiculaire engendre un seul disque ou une seule rondelle. Si une tranche contient des morceaux séparés, leurs rotations peuvent se chevaucher. Dessinez la section obtenue avant d’additionner les aires.
Choisir la tranche et sa variable
- Indiquer la région et l’axe. Trouvez les intersections des frontières et vérifiez quelle courbe se situe au-dessus, au-dessous, à gauche ou à droite dans la région.
- Tracer une tranche perpendiculaire à l’axe. Pour un axe horizontal comme ou , utilisez une tranche verticale et . Pour un axe vertical comme ou , utilisez une tranche horizontale et .
- Mesurer les distances depuis l’axe. Repérez les points le plus éloigné et le plus proche dans la tranche. La valeur d’une coordonnée ne suffit pas à déterminer le rayon extérieur.
- Conserver une seule variable. Les rayons, les bornes et la différentielle doivent tous utiliser la variable des tranches. Une tranche horizontale exige souvent d’exprimer en fonction de .
- Repérer les changements de description. Séparez l’intégrale si la frontière extérieure, la frontière intérieure ou le type de section change.
La méthode des coquilles cylindriques utilise des tranches parallèles à l’axe. Le complément sur le choix entre rondelles et coquilles explique cette autre mise en équation. Les trois exemples et les six exercices qui suivent portent sur les disques et les rondelles.
Exemple résolu 1 Tourner autour de l’axe horizontal
Notons et les valeurs numériques des coordonnées, mesurées avec une même unité de longueur fixe. Notons la région délimitée par et . Les aires seront exprimées en unités carrées et les volumes en unités cubes. Faites tourner autour de l’axe des , soit la droite , et trouvez son volume .
Trouver et décrire la région
Les courbes se rencontrent lorsque , donc . Les intersections sont et . Pour , la différence est positive ou nulle. La droite est donc la frontière supérieure et la parabole est la frontière inférieure :
Construire l’aire de la section
La tranche verticale engendre une rondelle. Son rayon extérieur est la distance jusqu’à la droite, , et son rayon intérieur est la distance jusqu’à la parabole, . Les deux sont positifs ou nuls sur l’intervalle, avec . Aux deux intersections, l’aire de la rondelle devient nulle, ce qui est permis.
Intégrer et vérifier
Les crochets indiquent la valeur à la borne supérieure moins la valeur à la borne inférieure. Le résultat est unités cubes. L’intégrande est positif ou nul sur tout l’intervalle. Le solide tient aussi dans un cylindre de rayon 4 et de longueur 2, dont le volume vaut ; l’ordre de grandeur est donc plausible. Ces vérifications peuvent révéler une erreur, mais ne remplacent pas une mise en équation correcte.
Exemple résolu 2 Tourner autour de l’axe vertical
Conservons exactement la même région , mais faisons-la tourner autour de l’axe des , soit la droite . Notons le nouveau volume. Changer l’axe change le solide; le résultat n’a donc aucune raison d’égaler .
Décrire une tranche horizontale avant de choisir les rayons
Les disques et les rondelles sont perpendiculaires à l’axe. Il faut maintenant des tranches horizontales et une intégration par rapport à . Les points le plus bas et le plus haut de ont pour coordonnées et . Réécrivons la droite comme et la branche non négative de la parabole comme . Pour , on a . Ainsi,
Seule la branche positive ou nulle de la racine carrée appartient à la région : la description initiale impose . Pour une vérification rapide, à , la tranche va de à .
Utiliser les distances jusqu’à l’axe vertical
L’extrémité droite est la plus éloignée de . On a donc , , puis
Le volume est unités cubes. Utiliser les bornes 0 et 2 ici omettrait la partie de la région au-dessus de . Remplacer seulement par dans le premier exemple ne fonctionnerait pas non plus : il faut reconstruire la tranche, les formules des rayons et les bornes.
Exemple résolu 3 Déplacer l’axe vers la droite
Faisons tourner autour de la droite verticale , et notons le volume. La région se trouve entièrement à gauche de cet axe. Les tranches horizontales et les bornes conviennent toujours, mais les rayons ne sont plus donnés directement par les coordonnées des extrémités.
L’extrémité gauche, , est maintenant la plus éloignée; elle détermine donc le rayon extérieur. L’extrémité droite, , est la plus proche et détermine le rayon intérieur :
Vérifions une tranche : à , les distances sont et . Leurs carrés donnent l’aire . Sur tout l’intervalle, ; chaque section d’aire strictement positive possède donc un trou central.
Le volume est unités cubes. La même région plane a produit trois solides différents. Indiquez toujours l’axe à côté du dessin avant d’utiliser une formule mémorisée.
Une région qui traverse l’axe
Si une tranche continue traverse l’axe de rotation, elle engendre un disque. Les deux côtés ne produisent pas des volumes distincts à additionner : leurs rotations se chevauchent. Le rayon intérieur est nul, et le rayon extérieur est la plus grande des distances entre l’axe et les deux extrémités.
Par exemple, un segment vertical allant de à , en rotation autour de , remplit un disque de rayon 2. Son aire vaut , et non ni . Il n’y a pas de trou, puisque le segment passe par l’axe. Dans le dernier exercice, l’extrémité la plus éloignée change à l’intérieur de la région.
Six niveaux de pratique
Pour chaque exercice, indiquez l’axe de rotation, l’orientation des tranches, la variable, les bornes et les rayons avant de calculer. Les coordonnées utilisent la même unité de longueur fixe que précédemment. Des réponses exactes suffisent; une calculatrice n’est pas nécessaire. Si vous bloquez, ouvrez d’abord l’indice, puis comparez votre raisonnement à la solution.
1 Un disque de rayon constant
Faites tourner le rectangle , , autour de l’axe des . Construisez une intégrale et comparez le résultat à la formule du volume d’un cylindre.
Indice
La tranche verticale touche-t-elle l’axe de rotation? Son extrémité supérieure ne dépend pas de .
Réponse expliquée
Utilisez des tranches verticales, , et les bornes 0 et 3. Chaque tranche atteint , donc et . Ainsi, unités cubes. Cela correspond à un cylindre de rayon 2 et de longueur 3 : .
2 Repérer la courbe extérieure
Faites tourner la région entre et , pour , autour de l’axe des . Expliquez quelle frontière détermine le rayon extérieur.
Indice
Testez un point intérieur, puis justifiez l’ordre sur tout l’intervalle. Élevez chaque rayon au carré séparément.
Réponse expliquée
Pour , on a , donc , puisque les deux membres sont positifs ou nuls. Le rayon extérieur est , le rayon intérieur est , et unités cubes. Un point intérieur donne une vérification utile; l’inégalité justifie l’ordre sur tout l’intervalle.
3 Déplacer un axe horizontal
Reprenez , la région entre et pour . Faites-la tourner autour de . Trouvez les rayons et le volume.
Indice
L’axe est sous les deux courbes. Mesurez vers le haut depuis , et non depuis 0.
Réponse expliquée
Utilisez des tranches verticales et . Les rayons sont et . Ainsi,
Le résultat est en unités cubes. Le rayon extérieur reste supérieur ou égal au rayon intérieur, car leur différence est toujours . Ajouter 1 aux deux rayons change le volume, même si cette différence reste identique.
4 Utiliser la variable donnée
La région est définie par , . Faites-la tourner autour de l’axe des . Trouvez le volume sans exprimer en fonction de .
Indice
Une tranche horizontale possède déjà une extrémité gauche et une extrémité droite. Des coordonnées négatives ne donnent pas des rayons horizontaux négatifs.
Réponse expliquée
Les tranches horizontales donnent des disques : , . Utilisez les bornes de hauteur et 2 :
Le volume vaut unités cubes. La borne inférieure négative situe des tranches sous l’origine; elle ne rend pas leurs aires négatives.
5 Diagnostiquer la mise en équation avant de calculer
Pour l’exemple 1, quelqu’un écrit . Quelle grandeur cette expression traite-t-elle comme un rayon? Corrigez l’intégrale. Utilisez la tranche à pour montrer l’erreur.
Indice
À , la tranche réelle va de à . Sa rotation laisse-t-elle un trou?
Réponse expliquée
L’expression utilise la longueur du segment, , comme rayon d’un disque. La section réelle est une rondelle avec et . À , son aire vaut ; la formule proposée donne seulement . L’intégrale correcte est unités cubes. Intégrer correctement l’expression erronée donnerait ; une primitive exacte ne répare pas une géométrie incorrecte.
6 Défi Une région traverse l’axe
Faites tourner la région , , autour de l’axe des . Expliquez pourquoi il n’y a pas de trou, trouvez où la formule du rayon extérieur change, puis calculez le volume.
Indice
Chaque tranche contient un point de l’axe. Comparez les distances 1 et jusqu’aux extrémités plutôt que de soustraire leurs carrés.
Réponse expliquée
Chaque tranche traverse ou touche , donc . L’extrémité inférieure est à une distance 1 de l’axe; l’extrémité supérieure est à une distance . Ainsi, sur et sur . Le changement a lieu à , où les distances sont égales.
Le résultat est unités cubes. Additionner les rotations des parties au-dessus et au-dessous de l’axe compterait deux fois les disques qui se chevauchent.
Vérifier la mise en équation avant d’intégrer
- Pouvez-vous montrer l’axe et une tranche perpendiculaire sur votre dessin?
- Les rayons et sont-ils des distances depuis cet axe, avec ?
- Si la tranche traverse l’axe, avez-vous utilisé un disque sans trou?
- Les formules des rayons, les bornes et la différentielle utilisent-elles la même variable?
- La géométrie exige-t-elle plusieurs intervalles?
- L’aire de la section est-elle positive ou nulle, et le résultat final est-il en unités cubes?
Essayez d’expliquer un rayon en une phrase : « Cette distance part de l’axe et rejoint cette frontière. » Si vous ne pouvez pas montrer ses deux extrémités, revenez au dessin avant de calculer.
Quand utiliser les rondelles ou les coquilles cylindriques?
Utilisez ce complément facultatif si les coquilles cylindriques font partie de votre cours ou si vous voulez explorer une deuxième façon de calculer un volume. Gardez la même région et le même axe de rotation, puis comparez les deux orientations de tranches.
Choisir la tranche avant la formule
- Perpendiculairement à l’axe de rotation : disques ou rondelles. Mesurez les distances extérieure et intérieure et depuis l’axe. La contribution vaut , avec pour un disque.
- Parallèlement à l’axe de rotation : coquilles cylindriques. Notons la distance entre la tranche et l’axe, et la longueur de la tranche parallèlement à cet axe. Le volume d’une coquille mince vaut approximativement circonférence fois longueur fois épaisseur, soit . Le passage à la limite donne .
Ici, désigne la coordonnée qui situe les tranches, soit ou , et sont les première et dernière valeurs de cette coordonnée dans la région. Pour un axe vertical, les rondelles utilisent des tranches horizontales et , tandis que les coquilles utilisent des tranches verticales et . Pour un axe horizontal, les rondelles utilisent et les coquilles utilisent .
Notons la coordonnée fixe de l’axe de rotation. Pour les coquilles autour de , le rayon vaut et la longueur est la frontière supérieure moins la frontière inférieure. Autour de , le rayon vaut et la longueur est la frontière droite moins la frontière gauche. La « hauteur » d’une coquille peut donc être horizontale. Toutes les longueurs sont positives ou nulles. Avant d’additionner les contributions des coquilles, vérifiez que leurs rotations ne se chevauchent pas. En particulier, des tranches de part et d’autre de l’axe peuvent engendrer le même espace; utiliser des distances en valeur absolue n’empêche pas un double comptage.
Choisissez l’intégrale valide la plus simple : comparez les expressions des frontières, le nombre d’intervalles et les primitives. Les coquilles évitent souvent d’isoler l’autre variable dans l’équation d’une frontière. Les rondelles peuvent être plus simples lorsque les rayons sont faciles à décrire. Déterminez les bornes à partir de la région dans la variable choisie, et séparez l’intégrale lorsqu’une expression de frontière change. Si l’énoncé impose une méthode, respectez-la.
Un solide, deux calculs exacts
Faites tourner autour de l’axe des la région du premier quadrant, définie par et . Les coordonnées utilisent la même unité de longueur que précédemment. Dans le premier quadrant, les courbes se rencontrent en et , et sur cet intervalle.
Coquilles : une tranche verticale est parallèle à l’axe. Son rayon vaut , sa hauteur vaut , et sa position va de à . Ainsi,
Rondelles : une tranche horizontale est perpendiculaire à l’axe. Réécrivons la même région comme , . L’extrémité la plus éloignée donne , et la plus proche donne . Donc,
Les deux méthodes donnent unités cubes, car la région et l’axe sont restés fixes. Les coquilles conservent les fonctions initiales; les rondelles demandent d’exprimer leurs frontières dans l’autre sens. Ici, les deux intégrales se calculent directement. La hauteur appartient à la formule , tandis que les rondelles utilisent la différence des carrés des rayons. Échanger ces mesures change le solide que l’on compte.
Trois courts exercices de choix de méthode
1 Choisir les orientations et les bornes
Faites tourner , , autour de l’axe des . Construisez une intégrale pour chaque méthode. Quels nombres sont des bornes et lesquels sont des rayons? Le calcul n’est pas nécessaire.
Indice
Essayez un segment vertical et un segment horizontal. La variable change avec l’orientation des tranches.
Réponse expliquée
Les coquilles utilisent , le rayon , la hauteur 3 et les bornes 1 et 2 : . Les rondelles utilisent , le rayon extérieur 2, le rayon intérieur 1 et les bornes 0 et 3 : . Dans l’intégrale des rondelles, 1 et 2 sont des distances radiales, pas les bornes d’intégration. Les deux décrivent un cylindre creux et donnent unités cubes.
2 Passer à un axe horizontal
Faites tourner , , autour de l’axe des . Utilisez les coquilles, puis vérifiez le résultat avec des disques.
Indice
Une tranche horizontale est parallèle à l’axe. Sa longueur est la frontière droite moins la frontière gauche. Pour les disques, décrivez la région en fonction de .
Réponse expliquée
Les coquilles ont un rayon , une longueur et une épaisseur :
Pour les disques, la région est , . Ainsi, , , et unités cubes. Les bornes des coquilles sont des positions verticales de 0 à 2; celles des disques sont des positions horizontales de 0 à 4.
3 Déplacer l’axe, puis choisir une méthode
Faites tourner la région de l’exemple comparatif autour de . Quelle mesure des coquilles change? Trouvez le nouveau volume et vérifiez qu’éloigner l’axe de la région augmente ce volume.
Indice
Mesurez la distance entre et . Les frontières supérieure et inférieure ainsi que l’intervalle restent en place.
Réponse expliquée
Le rayon des coquilles devient ; leur hauteur reste . Les coquilles donnent une seule intégrale polynomiale :
Le volume vaut unités cubes. Par rapport à l’axe initial, chaque rayon de coquille augmente de 1, donc le volume augmente de . En effet, . Les rondelles conviennent aussi, avec et , pour .
Quoi travailler avec un tuteur
Un tuteur peut vous aider à partir de l’énoncé, à dessiner la région et à construire une mise en équation. Si vous avez déjà un dessin ou une tentative, vous pouvez les revoir ensemble. Un tuteur peut vous demander de repérer une tranche, d’indiquer les extrémités des deux rayons et d’expliquer vos bornes avant de revoir la primitive. Vous pouvez ensuite modifier seulement l’axe ou une frontière et reconstruire le modèle ensemble. Cela permet de distinguer les difficultés de géométrie des difficultés d’intégration et vous donne une démarche à pratiquer de façon autonome.
Plans et descriptions des cours
- Plan de MATH 205 de Concordia pour l’automne 2026
- Descriptions actuelles des cours du Département de mathématiques et de statistique de McGill
Consultez les documents actuels de votre section pour la matière évaluée et les méthodes permises. Pour travailler le calcul une fois le modèle construit, poursuivez avec Choisir une méthode d’intégration.
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