Strona głównaZagadnienia dodatkoweObjętość bryły ograniczonej powierzchniami

Objętość bryły ograniczonej powierzchniami

Szkoła podaje wzory na objętość gotowe: 13πr2H\frac{1}{3}\pi r^2 H dla stożka, 43πR3\frac{4}{3}\pi R^3 dla kuli. Skąd się biorą — nie mówi, bo szkolnymi środkami nie da się ich wyprowadzić. (Da się bez całki, ale nie bez ciężkiego narzędzia: Archimedes dostał objętość kuli metodą wyczerpywania, a zasada Cavalieriego pozwala porównać bryły przekrój po przekroju. Całka jest z nich wszystkich najkrótsza i to ją tu pokazuję.) Ta strona pokazuje jeden wzór, z którego wynikają wszystkie tamte: objętość to całka z pola przekroju. Dodatkowo daje narzędzie na bryły, dla których żadnego szkolnego wzoru nie ma.

Dział: Zagadnienia dodatkowePoziom: studia, pierwszy rok — poza podstawą programową (LO 2025)

1Jeden wzór zamiast tablicy wzorów

Zagadnienie dodatkowe — poza podstawą programową (SP/LO 2025)

Ten temat nie występuje w podstawie programowej obowiązującej od 2025 roku — ani w zakresie podstawowym, ani w rozszerzonym. Na maturze nie zostanie sprawdzony.

Wzory na objętość brył obrotowych materiałem szkolnym, ale podaje się je gotowe. Wyprowadzenie wymaga rachunku całkowego, czyli materiału studenckiego.

Strona należy do działu Zagadnienia dodatkowe: materiał dla tych, którzy chcą wyjść poza program — na olimpiadę, na studia albo z ciekawości.

Pomysł jest prosty i warto go zobaczyć, zanim pojawi się jakikolwiek wzór. Bryłę kroimy na cienkie plastry prostopadłe do wybranej osi. Każdy plaster jest prawie walcem: ma pole przekroju S(x)S(x) i grubość dxdx, więc objętość S(x)dxS(x)\,dx. Sumujemy plastry — a sumowanie nieskończenie wielu nieskończenie cienkich kawałków to właśnie całka.

V=abS(x)dxV = \int_a^b S(x)\,dx

To najogólniejszy wzór na objętość i działa dla dowolnej bryły, której przekroje umiemy opisać — nie tylko obrotowej. Wystarczy znać pole przekroju w każdym miejscu.

Sprawdźmy go od razu na czymś znanym. Dla graniastosłupa o polu podstawy PP i wysokości HH przekrój jest wszędzie taki sam, czyli S(x)=PS(x) = P. Wtedy V=0HPdx=PHV = \int_0^H P\,dx = P \cdot H — dokładnie szkolny wzór. Nic nowego, ale to dobry znak: ogólniejsze narzędzie musi dawać stare wyniki.

Prawdziwy zysk pojawia się tam, gdzie przekrój się zmienia. Wtedy szkolna arytmetyka jest bezradna, a całka liczy bez wysiłku.

Najczęstszy przypadek szczególny to bryła obrotowa: powstaje przez obrót wykresu funkcji wokół osi. Przekrój jest wtedy kołem o promieniu równym wartości funkcji, więc S(x)=π[f(x)]2S(x) = \pi\left[f(x)\right]^2 i wzór ogólny przechodzi w metodę krążków opisaną niżej.

2Metoda krążków — obrót wokół osi OX

Weźmy nieujemną funkcję ff na przedziale [a,b][a, b] i obróćmy jej wykres wokół osi OXOX. Powstaje bryła, której przekrój w punkcie xx jest kołem o promieniu f(x)f(x).

V=πab[f(x)]2dxV = \pi \int_a^b \left[f(x)\right]^2 dx

Kwadrat bierze się wprost ze wzoru na pole koła S=πr2S = \pi r^2, gdzie promieniem jest wartość funkcji. To najważniejszy szczegół tego wzoru i jednocześnie najczęściej gubiony.

Dlaczego kwadrat, a nie sama funkcja

Całka abf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx liczy pole pod wykresem — wielkość dwuwymiarową.

Objętość jest trójwymiarowa, więc pod całką musi stać coś dwuwymiarowego (pole przekroju), a nie jednowymiarowego (długość).

Kontrola wymiarowa rozstrzyga to w sekundę: [f(x)]2dx[f(x)]^2\,dx ma wymiar długości do trzeciej, a f(x)dxf(x)\,dx — do drugiej. Jeśli w wyniku nie wychodzi jednostka sześcienna, gdzieś zgubiono kwadrat.

Gdy bryła powstaje przez obrót obszaru między dwiema krzywymi R(x)r(x)0R(x) \geq r(x) \geq 0, przekrój nie jest kołem, tylko pierścieniem. Pole pierścienia to różnica pól kół:

V=πab([R(x)]2[r(x)]2)dxV = \pi \int_a^b \left( \left[R(x)\right]^2 - \left[r(x)\right]^2 \right) dx

Uwaga na kolejność działań: odejmujemy kwadraty, a nie promienie. Zapis π(Rr)2dx\pi\int (R - r)^2 dx jest błędny, bo R2r2(Rr)2R^2 - r^2 \neq (R-r)^2 — to ta sama pomyłka co przy wzorach skróconego mnożenia.

Przy obrocie wokół osi OYOY wzór ma tę samą postać, tylko role zmiennych się zamieniają: całkujemy po yy, a promieniem jest funkcja odwrotna x=g(y)x = g(y). W praktyce wygodniej bywa wtedy wyznaczyć xx z równania krzywej niż szukać osobnej metody.

3Skąd biorą się szkolne wzory

Najlepszym sprawdzianem tej metody jest wyprowadzenie wzorów, które w szkole trzeba było przyjąć na wiarę.

Stożek. Powstaje przez obrót odcinka f(x)=rHxf(x) = \frac{r}{H}x na przedziale [0,H][0, H] — prostej od wierzchołka do brzegu podstawy. Podstawiamy do metody krążków:

V=π0Hr2H2x2dx=πr2H2H33=13πr2HV = \pi \int_0^H \frac{r^2}{H^2}x^2\,dx = \pi\frac{r^2}{H^2} \cdot \frac{H^3}{3} = \frac{1}{3}\pi r^2 H

Wyszedł dokładnie ten wzór na objętość stożka, który stoi w tablicach. Widać też, skąd bierze się tajemnicza jedna trzecia: z całki x2dx=x33\int x^2 dx = \frac{x^3}{3}, czyli z tego, że promień rośnie liniowo, a pole przekroju — kwadratowo.

Kula. Powstaje przez obrót półokręgu f(x)=R2x2f(x) = \sqrt{R^2 - x^2} na przedziale [R,R][-R, R]. Kwadrat zdejmuje pierwiastek, więc rachunek jest krótki:

V=πRR(R2x2)dx=π[R2xx33]RR=43πR3V = \pi \int_{-R}^{R} (R^2 - x^2)\,dx = \pi\left[R^2x - \frac{x^3}{3}\right]_{-R}^{R} = \frac{4}{3}\pi R^3

Znowu wzór szkolny, tym razem wyprowadzony w trzech linijkach. Zwróć uwagę, że wynik zostaje w postaci dokładnej — z symbolem π\pi, nie jako liczba dziesiętna. Zaokrągla się dopiero wtedy, gdy polecenie tego wymaga.

Walec wychodzi z funkcji stałej f(x)=rf(x) = r na [0,H][0, H]: V=π0Hr2dx=πr2HV = \pi\int_0^H r^2 dx = \pi r^2 H. To najprostszy przypadek — przekrój się nie zmienia, więc całka sprowadza się do mnożenia.

Metoda działa też tam, gdzie szkolnego wzoru nie ma. Obrót paraboli, sinusoidy czy hiperboli daje bryły bez nazw i bez tablic — a całka liczy ich objętość dokładnie tak samo.

4Bryły nieobrotowe — wzór przez pole przekroju

Wzór V=abS(x)dxV = \int_a^b S(x)\,dx nie wymaga obrotu ani żadnej symetrii. Wystarczy umieć opisać pole przekroju.

Klasyczny przykład: bryła, której podstawą jest koło o promieniu RR, a każdy przekrój prostopadły do ustalonej średnicy jest kwadratem. Cięciwa koła w odległości xx od środka ma długość 2R2x22\sqrt{R^2-x^2}, więc pole kwadratu wynosi S(x)=4(R2x2)S(x) = 4(R^2 - x^2).

V=RR4(R2x2)dx=4[R2xx33]RR=163R3V = \int_{-R}^{R} 4(R^2 - x^2)\,dx = 4\left[R^2x - \frac{x^3}{3}\right]_{-R}^{R} = \frac{16}{3}R^3

Zwróć uwagę na coś zaskakującego: w wyniku nie ma π\pi, mimo że podstawą jest koło. To nie pomyłka — przekroje są kwadratami, a π\pi pojawia się tylko wtedy, gdy w polu przekroju występuje koło.

Ten sam schemat obsługuje przekroje trójkątne, półkoliste i dowolne inne. Zmienia się wyłącznie wzór na S(x)S(x), cała reszta procedury zostaje.

Dla brył opisanych naprawdę ogólnie — „ograniczonych powierzchniami” zadanymi równaniami — używa się całek podwójnych i potrójnych. Idea jest ta sama (sumowanie nieskończenie małych kawałków), tylko kawałki są prostopadłościenne, a nie plastrowe:

V=ΩdxdydzV = \iiint_{\Omega} dx\,dy\,dz

To już materiał drugiego semestru analizy. Metoda przekrojów z tej strony jest jednowymiarowym cieniem tamtego wzoru — i w zadaniach szkolnych oraz na pierwszym roku wystarcza w większości przypadków.

5Jak nie pomylić się w rachunku

Objętość ma trzy cechy, które warto sprawdzać w każdym zadaniu — kosztują sekundy, a łapią większość pomyłek.

Trzecia kontrola jest niedoceniana, a bardzo skuteczna. Dla kuli o promieniu RR: opisany walec ma objętość πR22R=2πR3\pi R^2 \cdot 2R = 2\pi R^3, a wynik 43πR3\frac{4}{3}\pi R^3 jest od niego mniejszy — i stanowi dokładnie dwie trzecie objętości tego walca. To zresztą wynik Archimedesa, z którego był tak dumny, że kazał wykuć go na swoim nagrobku.

Osobna sprawa to postać odpowiedzi. Wyniki z π\pi i z pierwiastkami zostawiamy dokładne: 43πR3\frac{4}{3}\pi R^3, a nie 4,19R34{,}19 R^3. Przybliżenie podaje się tylko wtedy, gdy polecenie o nie prosi, i oznacza znakiem \approx.

Ostatnia uwaga praktyczna: zanim zaczniesz całkować, narysuj obszar. Połowa błędów w tych zadaniach to złe granice całkowania albo pomylenie, która krzywa jest wyżej — a jedno i drugie widać na szkicu od razu.

6Przykłady krok po kroku

Cztery rachunki: wyprowadzenie wzoru na stożek, wyprowadzenie wzoru na kulę, obrót paraboli i przypadek z pierścieniem.

Przykład 1 Wyprowadzenie wzoru na objętość stożka

Wyprowadź wzór na objętość stożka o promieniu podstawy rr i wysokości HH, obracając odpowiedni odcinek wokół osi OXOX.

  1. Ustawiam stożek wierzchołkiem w początku układu, osią wzdłuż OXOX. Tworząca to odcinek od (0,0)(0,0) do (H,r)(H, r), czyli wykres funkcji f(x)=rHxf(x) = \dfrac{r}{H}x na przedziale [0,H][0, H].
  2. Metoda krążków: V=π0H(rHx)2dxV = \pi\displaystyle\int_0^H \left(\frac{r}{H}x\right)^2 dx. Podnoszę do kwadratu: (rHx)2=r2H2x2\left(\frac{r}{H}x\right)^2 = \frac{r^2}{H^2}x^2.
  3. Stała r2H2\frac{r^2}{H^2} wychodzi przed całkę: V=πr2H20Hx2dxV = \pi\dfrac{r^2}{H^2}\displaystyle\int_0^H x^2\,dx.
  4. Całkuję potęgę: 0Hx2dx=[x33]0H=H330=H33\int_0^H x^2 dx = \left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^H = \dfrac{H^3}{3} - 0 = \dfrac{H^3}{3}.
  5. Podstawiam: V=πr2H2H33=13πr2HV = \pi\dfrac{r^2}{H^2}\cdot\dfrac{H^3}{3} = \dfrac{1}{3}\pi r^2 H — skracam H2H^2 z H3H^3, zostaje HH.
  6. Kontrola: wynik to dokładnie jedna trzecia objętości walca πr2H\pi r^2 H opisanego na stożku, co zgadza się ze szkolną zależnością między tymi bryłami ✓.

Odpowiedź: V=13πr2HV = \dfrac{1}{3}\pi r^2 H — wzór szkolny, wyprowadzony całką.

Przykład 2 Wyprowadzenie wzoru na objętość kuli

Wyprowadź wzór na objętość kuli o promieniu RR, obracając półokrąg wokół osi OXOX.

  1. Górny półokrąg o promieniu RR to wykres f(x)=R2x2f(x) = \sqrt{R^2 - x^2} na przedziale [R,R][-R, R]. Obrót wokół OXOX daje pełną kulę.
  2. Metoda krążków: V=πRR(R2x2)2dxV = \pi\displaystyle\int_{-R}^{R}\left(\sqrt{R^2-x^2}\right)^2 dx. Kwadrat znosi pierwiastek, więc pod całką zostaje R2x2R^2 - x^2 — i to jest cała sztuczka tego rachunku.
  3. Całkuję: RR(R2x2)dx=[R2xx33]RR\displaystyle\int_{-R}^{R}(R^2 - x^2)\,dx = \left[R^2x - \dfrac{x^3}{3}\right]_{-R}^{R}.
  4. Górna granica: R2RR33=R3R33=2R33R^2 \cdot R - \dfrac{R^3}{3} = R^3 - \dfrac{R^3}{3} = \dfrac{2R^3}{3}. Dolna: R3+R33=2R33-R^3 + \dfrac{R^3}{3} = -\dfrac{2R^3}{3}.
  5. Różnica: 2R33(2R33)=4R33\dfrac{2R^3}{3} - \left(-\dfrac{2R^3}{3}\right) = \dfrac{4R^3}{3}, więc V=π4R33=43πR3V = \pi\cdot\dfrac{4R^3}{3} = \dfrac{4}{3}\pi R^3.
  6. Kontrola rzędu wielkości: opisany walec ma objętość πR22R=2πR3\pi R^2 \cdot 2R = 2\pi R^3, a 43πR3\dfrac{4}{3}\pi R^3 to dokładnie 23\dfrac{2}{3} tej wartości — zgodnie z twierdzeniem Archimedesa ✓.
  7. Wynik zostaje w postaci dokładnej, z symbolem π\pi.

Odpowiedź: V=43πR3V = \dfrac{4}{3}\pi R^3 — wzór szkolny na objętość kuli.

Przykład 3 Bryła bez szkolnego wzoru

Oblicz objętość bryły powstałej z obrotu wykresu f(x)=xf(x) = \sqrt{x} na przedziale [0,4][0, 4] wokół osi OXOX.

  1. Funkcja jest nieujemna na [0,4][0,4], więc metodę krążków stosuję wprost: V=π04(x)2dxV = \pi\displaystyle\int_0^4 \left(\sqrt{x}\right)^2 dx.
  2. Kwadrat pierwiastka to samo xx (dla x0x \geq 0), więc pod całką zostaje po prostu xx: V=π04xdxV = \pi\displaystyle\int_0^4 x\,dx.
  3. Całkuję: 04xdx=[x22]04=1620=8\displaystyle\int_0^4 x\,dx = \left[\dfrac{x^2}{2}\right]_0^4 = \dfrac{16}{2} - 0 = 8.
  4. Zatem V=8πV = 8\pi. Wynik zostawiam z symbolem π\pi — postać dokładna, bez zaokrąglania.
  5. Kontrola rzędu wielkości: największa wartość funkcji na przedziale to 4=2\sqrt{4} = 2, więc bryła mieści się w walcu o promieniu 22 i wysokości 44, czyli o objętości π44=16π\pi \cdot 4 \cdot 4 = 16\pi. Wynik 8π8\pi jest mniejszy — dokładnie połowa ✓.
  6. Ta bryła nazywa się paraboloidą obrotową i żadnego szkolnego wzoru na nią nie ma — całka poradziła sobie tak samo łatwo jak przy stożku.

Odpowiedź: V=8πV = 8\pi

Przykład 4 Metoda pierścieni — obszar między dwiema krzywymi

Oblicz objętość bryły powstałej z obrotu wokół osi OXOX obszaru ograniczonego wykresami y=xy = \sqrt{x} oraz y=x2y = x^2 na przedziale [0,1][0, 1].

  1. Ustalam, która krzywa jest wyżej. Dla x(0,1)x \in (0,1) zachodzi x>x2\sqrt{x} > x^2 — sprawdzam na x=14x = \frac{1}{4}: 14=12\sqrt{\frac14} = \frac12, a (14)2=116\left(\frac14\right)^2 = \frac{1}{16}, więc rzeczywiście pierwiastek jest wyżej.
  2. Promień zewnętrzny to R(x)=xR(x) = \sqrt{x}, wewnętrzny r(x)=x2r(x) = x^2. Stosuję wzór na pierścień: V=π01((x)2(x2)2)dxV = \pi\displaystyle\int_0^1\left(\left(\sqrt{x}\right)^2 - \left(x^2\right)^2\right)dx.
  3. Upraszczam: (x)2=x\left(\sqrt{x}\right)^2 = x oraz (x2)2=x4\left(x^2\right)^2 = x^4. Pod całką zostaje xx4x - x^4.
  4. Całkuję: 01(xx4)dx=[x22x55]01=1215\displaystyle\int_0^1 (x - x^4)\,dx = \left[\dfrac{x^2}{2} - \dfrac{x^5}{5}\right]_0^1 = \dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{5}.
  5. Sprowadzam do wspólnego mianownika: 1215=5210=310\dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{5} = \dfrac{5-2}{10} = \dfrac{3}{10}. Zatem V=310πV = \dfrac{3}{10}\pi.
  6. Kontrola: obie krzywe przecinają się w (0,0)(0,0) i (1,1)(1,1), więc obszar jest zamknięty i granice 00 oraz 11 są poprawne. Wynik jest dodatni, co dla objętości jest konieczne ✓.
  7. Gdyby ktoś policzył π(Rr)2dx\pi\int(R-r)^2dx zamiast różnicy kwadratów, dostałby π(xx2)2dx\pi\int(\sqrt{x}-x^2)^2dx — inną i błędną wartość.

Odpowiedź: V=310πV = \dfrac{3}{10}\pi

7Najczęstsze błędy

Cztery pomyłki: dwie rachunkowe, jedna geometryczna i jedna dotycząca postaci odpowiedzi.

Całkowanie f(x)f(x) zamiast [f(x)]2[f(x)]^2

Skąd się bierze: Odruch z liczenia pola pod wykresem, gdzie pod całką stoi sama funkcja. Przy objętości pod całką musi być pole przekroju, a pole koła zawiera kwadrat promienia. Bez kwadratu wynik nie jest nawet objętością — ma zły wymiar.

Jak zrobić dobrze: Zanim scałkujesz, zapisz osobno S(x)=π[f(x)]2S(x) = \pi[f(x)]^2 i dopiero to wstaw pod całkę. Kontrola wymiarowa: wynik musi być długością do trzeciej potęgi.

Odejmowanie promieni zamiast ich kwadratów w metodzie pierścieni

Skąd się bierze: Zapis π(Rr)2dx\pi\int (R-r)^2 dx wygląda naturalnie, bo pierścień „to różnica”. Ale różnicą jest pole, nie promień: πR2πr2=π(R2r2)\pi R^2 - \pi r^2 = \pi(R^2 - r^2), a to nie równa się π(Rr)2\pi(R-r)^2. To ten sam błąd co skracanie w a2b2a^2-b^2.

Jak zrobić dobrze: Pisz wzór jako π(R2r2)dx\pi\int\left(R^2 - r^2\right)dx i podnoś do kwadratu każdą funkcję osobno, zanim je odejmiesz. Kolejność działań: najpierw potęgi, potem odejmowanie.

Pomylenie, która krzywa jest zewnętrzna

Skąd się bierze: Przy obrocie obszaru między krzywymi promieniem zewnętrznym jest ta funkcja, która ma większe wartości na danym przedziale — a to nie zawsze ta, która „wygląda na większą”. Dla x\sqrt{x} i x2x^2 role odwracają się w punkcie x=1x=1: przed nim wyżej jest pierwiastek, za nim parabola.

Jak zrobić dobrze: Podstaw jedną konkretną liczbę z wnętrza przedziału i porównaj wartości — jak x=14x=\frac14 w przykładzie czwartym. Jeśli krzywe przecinają się wewnątrz przedziału, podziel całkę na części.

Zaokrąglanie wyniku z π\pi

Skąd się bierze: Zamiana 43πR3\frac{4}{3}\pi R^3 na 4,19R34{,}19R^3 traci dokładność bez żadnego zysku i łamie konwencję zapisu wyników. Przy dalszych rachunkach błąd zaokrąglenia się kumuluje, a przy porównywaniu z wynikiem wzorcowym utrudnia sprawdzenie.

Jak zrobić dobrze: Zostaw π\pi i pierwiastki w postaci dokładnej. Przybliżenie podawaj wyłącznie wtedy, gdy polecenie tego żąda (np. „przyjmij π3,14\pi \approx 3{,}14”), i zaznaczaj je znakiem \approx, nie znakiem równości.

8Pytania i odpowiedzi

Czy liczenie objętości całką jest na maturze?

Nie. Podstawa programowa nie obejmuje rachunku całkowego w żadnym zakresie, więc na maturze objętości liczy się wyłącznie z gotowych wzorów podanych w tablicach. Wyprowadzenia z tej strony pokazują natomiast, skąd te wzory pochodzą — i to bywa pomocne, żeby ich nie mylić.

Dlaczego pod całką jest kwadrat funkcji?

Bo pod całką musi stać pole przekroju, a przekrojem bryły obrotowej jest koło o promieniu równym wartości funkcji. Pole koła to πr2\pi r^2, więc po podstawieniu r=f(x)r = f(x) otrzymujemy π[f(x)]2\pi[f(x)]^2. Bez kwadratu liczylibyśmy pole pod wykresem, czyli wielkość dwuwymiarową zamiast trójwymiarowej.

Czy tą metodą da się policzyć objętość bryły, która nie jest obrotowa?

Tak, o ile umiemy opisać pole przekroju. Wzór V=abS(x)dxV=\int_a^b S(x)\,dx nie zakłada żadnej symetrii — obrót jest tylko wygodnym przypadkiem, w którym przekrój zawsze jest kołem. Dla brył opisanych ogólnie równaniami powierzchni używa się całek podwójnych i potrójnych.

Skąd w wzorze na stożek bierze się jedna trzecia?

Z całki z funkcji kwadratowej: 0Hx2dx=H33\int_0^H x^2dx=\frac{H^3}{3}. Promień stożka rośnie liniowo wraz z odległością od wierzchołka, więc pole przekroju rośnie kwadratowo — a całkowanie kwadratu podnosi wykładnik do trzech i dzieli przez trzy. Ta sama trójka pojawia się we wzorze na objętość ostrosłupa i z tego samego powodu.

Czy wynik trzeba zamieniać na liczbę dziesiętną?

Nie, przeciwnie — wynik z symbolem π\pi albo z pierwiastkiem zostaje w postaci dokładnej. Zapis 8π8\pi jest pełnoprawną odpowiedzią i lepszą niż 25,1325{,}13, bo nie traci informacji. Zaokrągla się tylko wtedy, gdy polecenie wprost o to prosi, a przybliżenie oznacza się znakiem \approx.

Czytaj dalej

Mateusz Będkowski — nauczyciel matematyki, autor serwisu Nie każ mu liczyć

Mateusz Będkowski

nauczyciel matematyki, autor „Nie każ mu liczyć”

Uczę matematyki od 13 lat, w tym 7 lat w szkole — dziś w dwóch szkołach w Kaliszu. Magister pedagogiki ze specjalnością terapia pedagogiczna, po studiach podyplomowych z matematyki. Rozwiązania na tej stronie liczę sam, krok po kroku, i zapisuję dokładnie tak, jak tłumaczę je uczniowi na kartce.

Ostatnia aktualizacja: 2026-08-02. Tekst redakcji „Nie każ mu liczyć”.