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東北大学 1996年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第2問

頂点から底面に下ろした垂線の足が底面の円の中心に一致する円すいを直円すいと呼ぶ.
側面積が6πである直円すいのなかで体積が最大となるものを考える.
このとき,底面の半径および高さを求めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15

微分図形と方程式 微分による最大最小置換、計算整理

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=l2r2 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 36uu3 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=6r 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=l2r2=36r2r2 であり、h>0 より 0<r2<6 である。

体積は V=13πr2h 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(36r2r2)=36r2r6 を最大化すればよい。u=r2 とおくと、0<u<636uu3 を最大にする問題になる。 ddu(36uu3)=363u2=3(12u2) 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=362323=6323=43 だから h=234 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=36uu.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(36u2)を最大化する問題である。

正の3数u2,36u22,36u22の和は36である。相加相乗平均よりu2(36u22)2123.したがって u(36u2) は、3数が等しいときに最大となる。等号条件はu2=36u22,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=362323=43なのでh=234.

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。

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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。