方針
底面半径を r、母線を l、高さを h とおく。側面積 πrl=6π から l=6/r とし、h2=l2−r2 で体積を r だけの関数にする。平方根を避けるため V2 を最大化し、u=r2 と置いて3次式 36u−u3 の最大を調べる。
解答
底面の半径を r、母線を l、高さを h とする。直円すいの側面積は πrl であるから、条件より πrl=6π すなわち rl=6,l=r6 である。
また、母線、半径、高さは直角三角形を作るので l2=r2+h2 である。したがって h2=l2−r2=r236−r2 であり、h>0 より 0<r2<6 である。
体積は V=31πr2h である。V>0 なので、V を最大にすることは V2 を最大にすることと同じである。定数 π2/9 を除いて r4h2=r4(r236−r2)=36r2−r6 を最大化すればよい。u=r2 とおくと、0<u<6 で 36u−u3 を最大にする問題になる。 dud(36u−u3)=36−3u2=3(12−u2) であるから、最大は u=23 のときに生じる。よって r2=23,r=23 である。また h2=2336−23=63−23=43 だから h=243 である。
別解
解法2
方針
側面積条件から体積の2乗を u=r2 の式へ直す。微分の代わりに相加相乗平均を3項へ適用し、等号条件から最大化する半径を決める。
解答
底面半径を r、母線を l、高さを h とする。側面積よりrl=6,またl2=r2+h2.u=r2 とおくとh2=u36−u.体積 V=πr2h/3 は正なので、V2 を最大にすればよい。定数を除くとr4h2=u(36−u2)を最大化する問題である。
正の3数u2,236−u2,236−u2の和は36である。相加相乗平均よりu2(236−u2)2≦123.したがって u(36−u2) は、3数が等しいときに最大となる。等号条件はu2=236−u2,すなわち u2=12 である。u>0 よりu=23.したがってr=23.さらにh2=2336−23=43なのでh=243.
総評
難度5、計算量4。側面積一定から母線を消去し、正の体積の2乗を最大化すると平方根が消える。微分法と相加相乗平均の等号条件が同じ r4=12 を与える。 2解法の最終値を照合し、境界条件・符号・定義域も確認した。
冊子PDFで見る東北大の微分の問題で問題集を作る
出典: 東北大学 1996年度 後期日程 理系 第2問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。