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東北大学 1990年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第3問

xyz空間の中の2点A(1, 0, 1),B(−1, 0, 1)を結ぶ線分をLとし,
xy平面における円x2+y2≦1をDとする.
点PがL上を動き,点QがD上を動くとき,線分PQが動いてできる立体をHとする.

平面z=t (0≦t≦1)による立体Hの切り口Htの面積Stと,Hの体積Vを求めよ.

難易度7/ 10計算量6/ 10目安25分

積分、図形と方程式 座標設定、体積計算、面積計算

方針

高さ z=t で切り、線分 PQ 上の点を P と Q の内分点として表す。P は上の水平線分、Q は下の円板を動くので、切り口は半径 1−t の円板を長さ 2t の水平線分に沿って動かした図形になる。これは長方形と2つの半円からなる図形として面積を出し、最後に t で積分する。

解答

直線 L 上の点 P は P=(s,0,1)(−1≦s≦1) と表せる。また D 上の点 Q は Q=(u,v,0),u2+v2≦1 と表せる。

線分 PQ 上で高さが z=t である点は、0≦t≦1 に対して (1−t)Q+tP と書ける。したがってその xy 座標は ((1−t)u+ts,(1−t)v) である。

ここで (1−t)u,(1−t)v は半径 1−t の円板を動き、ts,0 は −t≦ts≦t を満たす水平線分を動く。したがって切り口 Ht は、半径 1−t の円板を長さ 2t の水平線分に沿って動かして得られる図形である。

これは、縦の幅 2(1−t)、横の長さ 2t の長方形に、半径 1−t の半円2つを付けた形である。よって面積は St=2t⋅2(1−t)+π(1−t)2 すなわち St=4t(1−t)+π(1−t)2 である。

体積 V は切り口の面積を高さ方向に積分してV=∫01Stdt=∫01{4t(1−t)+π(1−t)2}dtである。計算すると∫014t(1−t)dt=4(12−13)=23であり、∫01π(1−t)2dt=π3である。したがって V=π+23 である。

別解

解法2:切り口を長方形と二つの半円へ分解する

方針

高さ t の点を線分の内分表示で表す。切り口は半径 1−t の円板を長さ 2t の線分に沿って平行移動した競技場形になるため、長方形と円に分解して面積を積分する。

解答

直線 L 上の点と円板 D 上の点をP=(s,0,1)(−1≦s≦1),Q=(u,v,0)(u2+v2≦1)とする。線分 PQ 上で高さ t の点は(1−t)Q+tPだから、その xy 座標は((1−t)u+ts, (1−t)v).(1−t)(u,v) は半径 1−t の円板を動き、(ts,0) は長さ 2t の水平線分を動く。よって Ht は、縦 2(1−t)、横 2t の長方形に、半径 1−t の半円2個を付けた形である。

したがってSt=4t(1−t)+π(1−t)2.体積はV=∫01St dt=∫01{4t(1−t)+π(1−t)2} dt=23+π3=π+23.

総評

難度は10段階中7、計算量は10段階中6。立体を頭の中だけで捉えるより、高さ z=t の切り口を内分点で表す方が確実である。切り口は単なる円ではなく、円板を線分に沿って動かした形なので、長方形と2つの半円に分けて面積を出す。試験場では20分程度で、t=0 で円板、t=1 で線分になることを確認すると式の妥当性を検算できる。

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出典: 東北大学 1990年度 後期 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。