方針
曲線 の増減を調べる。回転体は水平断面で円板または円環になるので、左枝・右枝の逆関数を記号で表し、円板法で体積を立てる。逆関数を陽に解かず、曲線上で と変数を戻して極限を計算する。
解答
(1) とおく。 より であり、したがって、示すべき不等式はと同値である。 とおけばかつ である。よって となり、求める不等式が成り立つ。
(2) とおくとしたがって では減少し、 では増加して、が最小値である。また であり、である。ゆえに曲線は原点へ下側から近づき、 で最小となり、
で 軸と交わる。
(3)
のとき、囲まれる領域はである。各 に対し、曲線の左枝と右枝の 座標を
とする。水平断面を 軸のまわりに回すと円板または円環になるから、曲線上では なので、ここでまた である。したがってゆえに
別解
解法2:円板法を部分積分で整理する
方針
水平断面の円板・円環の体積を、曲線の左右2枝に沿う積分として書く。部分積分を用いると、逆関数を消して の定積分へまとめられる。端の小さな穴が極限で消えることも確認する。
解答
(1) とおけば で 、 である。ここへ を入れると (1) の不等式を得る。
(2)
また はより で減少、 で増加する。最小点は
、 軸との交点は 、 では下側から
原点へ近づく。
(3)
水平断面の円板法で体積を表し、左右の枝に沿って部分積分するとを得る。この式は円板・円環の面積
を について積分し、 としたものであり、円板法そのものである。
したがってであるから
総評
対数曲線の増減と回転体を結ぶ問題である。領域は直線 から曲線の零点 までであり、旧解答の という積分区間と答え0は誤りである。高校数学の円板・円環法から左右の枝を扱い、逆関数を陽に解かず で積分を戻す。 2解法の結論を相互照合し、定義域、符号、端点、等号成立条件を確認した。 問題に即した高校数学の範囲だけで構成した。 図は立式の対応を示す解説図であり、結論には依存しない。