Evolton

東北大学 1981年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

(1) y=2∣x∣−32+2∣∣x∣−34∣のグラフをかけ.

(2) (1)のグラフと放物線y=x2+1とで囲まれる領域を
y軸のまわりに回転して得られる立体の体積を求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20分

関数、積分、図形と方程式 絶対値の処理、グラフの概形、体積計算、場合分け

方針

u=∣x∣ として折れ線を区分表示し、放物線との接点を求める。
y 軸対称な領域の右半分を縦帯に分け、円筒殻の体積を積分する。

解答

(1)

u=∣x∣ とおく。0≦u≦34 ではy=2u−32+2(34−u)=0,u≧34 ではy=2u−32+2(u−34)=4u−3.したがってy={0(∣x∣≦34),4∣x∣−3(∣x∣≧34).(2)

x≧34 で交点を求めるとx2+1=4x−3⟺(x−2)2=0.右側の交点は x=2 である。

円筒殻の高さは、0≦x≦34 では x2+1、
34≦x≦2 では (x−2)2 である。よってV=2π∫03/4x(x2+1) dx+2π∫3/42x(x−2)2 dx.計算するとV=2π{[x44+x22]03/4+[x44−4x33+2x2]3/42}=2π(3691024+21253072)=101π48.

別解

解法2(水平断面)

方針

高さ y ごとに回転後の断面を調べる。
0≦y≦1 は円板、1≦y≦5 は内半径をもつ円環になる。

解答

(1)

u=∣x∣ とおけば、絶対値の中の符号によりy={0(∣x∣≦34),4∣x∣−3(∣x∣≧34).したがって、−3/4≦x≦3/4 では x 軸上にあり、
その両端から傾き ∓4 の半直線が延びる y 軸対称な折れ線である。

(2)

折れ線の右側の斜線はx=y+34と書ける。放物線は y=x2+1 だから、y≧1 ではx=y−1.0≦y≦1 の水平断面は外半径 y+34 の円板である。
1≦y≦5 では、外半径 y+34、内半径
y−1 の円環になる。したがってV=π∫01(y+34)2 dy+π∫15{(y+34)2−(y−1)} dy.計算するとπ∫01(y+34)2 dy+π∫15{(y+34)2−(y−1)} dy=101π48.

総評

難度6、計算量5、目安15〜22分。絶対値の切替点 ∣x∣=3/4 と、放物線との接点 x=±2 を正確に出すことが先決である。
回転軸をまたぐ対称領域なので、円筒殻では右半分だけを使い、水平断面では円板・円環の半径を区別する。
2方向の積分が同じ体積 101π/48 を与えるため、積分区間と係数の強い相互検算になる。

冊子PDFで見る東北大の関数の問題で問題集を作る

出典: 東北大学 1981年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。