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東北大学 1983年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第4問

(1) 上底の半径a,下底の半径b,高さhの直円すい台の体積を,積分によって求めよ.

(2) xy平面上に,4点A(1, 0),B(0, 1),C(−1, 0),D(0, −1)を
頂点とする正方形がある.
この正方形を原点のまわりにθ (0≦θ≦π2)だけ回転し,
さらにy軸の正の方向に1だけ平行移動する.
このとき,点A,B,C,Dがそれぞれ点P,Q,R,Sにうつるとする.
点P,Q,R,Sの座標を求めよ.

(3) (2)において,正方形PQRSをx軸のまわりに回転してできる立体の体積を求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安24分

積分、図形と方程式 座標設定、回転・拡大、体積計算、誘導利用

方針

(1) は底面に平行な円板で積分する。(2) は回転公式を使う。(3) は各 x の縦切片を回した円板・円環の面積を、中心 (0,1) に関して x と −x で組にする。

解答

(1)
下底から高さ z の断面半径はr(z)=b+a−bhz.したがってV=π∫0hr(z)2 dz=πh∫01{b+(a−b)u}2 du=πh3(a2+ab+b2).(2)P=(cos⁡θ,1+sin⁡θ),Q=(−sin⁡θ,1+cos⁡θ),R=(−cos⁡θ,1−sin⁡θ),S=(sin⁡θ,1−cos⁡θ).(3)
0≦θ≦π/2 なので正方形は x 軸より上にある。x における縦切片をℓ(x)≦y≦u(x)とする。正方形は G=(0,1) に関して点対称だからℓ(−x)=2−u(x),u(−x)=2−ℓ(x).縦切片を回した断面積を W(x)=π{u(x)2−ℓ(x)2} とするとW(x)+W(−x)=4π{u(x)−ℓ(x)}.よってV=12∫{W(x)+W(−x)} dx=2π∫{u(x)−ℓ(x)} dx.最後の積分は正方形の面積 2 だからV=4π.中心 G に関して向かい合う縦切片を組にする

別解

解法2

方針

(1) は半径の一次変化を展開して積分する。(3) は高さ y の水平切片の長さ L(y) を円筒殻として回し、L(2−y)=L(y) の対称性を使う。

解答

(1) V=π∫0h(b+a−bhz)2dzを展開するとV=π{b2h+b(a−b)h+(a−b)2h3}=πh3(a2+ab+b2).(2)
回転後に y 方向へ1を加えるとP=(cos⁡θ,1+sin⁡θ),Q=(−sin⁡θ,1+cos⁡θ),R=(−cos⁡θ,1−sin⁡θ),S=(sin⁡θ,1−cos⁡θ).(3)
高さ y における正方形の水平切片の長さを L(y) とする。円筒殻で積分するとV=2π∫02yL(y) dy.中心 (0,1) に関する点対称性から L(2−y)=L(y) である。変数を 2−y に替えればV=2π∫02(2−y)L(y) dy.2式を足すと2V=4π∫02L(y) dy.最後の積分は正方形の面積 2 だからV=4πである。

総評

円すい台の積分、回転座標、回転体積を一続きに扱う。目安時間は24分。(3) は範囲が全て x 軸以上にあることを確認し、点対称な切片を組にする。円板・円環法と円筒殻法の2通りで 4π を照合した。

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出典: 東北大学 1983年度 前期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。