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東北大学 1998年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第4問

空間において,2点P=(−t, −1, t2−1),Q=(t, 1, et+e−t2−e+e−12)を考える.ただし∣t∣≦1とする.
0<u<1であるuに対して線分PQと平面y=uとの交点をR=(x, y, z)とする.

(1) tを−1から1まで動かすとき,xの動く範囲をuで表せ.
(2) Rのz座標をxとuの式で表せ.
(3) tを−1から1まで動かすとき,線分PQが動いてできる図形と
2平面y=1,z=0とで囲まれる部分の体積を求めよ.

難易度8/ 10計算量8/ 10目安35分

積分、図形と方程式 パラメータ処理、体積計算、置換積分

方針

線分 PQ 上の点を、P から Q への内分比で表す。y=u となる比は (1+u)/2 なので、x=ut と z の式が得られる。体積は、固定した u での断面を x 方向に足し上げ、その断面積を 0≦u≦1 で積分する。x=ut に戻すと、必要な計算は 1−t2 と指数関数の偶対称な積分に分かれる。

解答

(1)
線分 PQ 上の点を (1−λ)P+λQ と表す。y 座標は (1−λ)(−1)+λ⋅1=−1+2λ である。これが u に等しいので λ=1+u2 である。したがって x 座標は x=(1−λ)(−t)+λt=(2λ−1)t=ut となる。∣t∣≦1 より −u≦x≦u である。

(2)
(1)と同じ λ=(1+u)/2 を用いると、z 座標はz=1−u2(t2−1)+1+u2(et+e−t2−e+e−12)である。x=ut だから t=x/u であり、z=1−u2{(xu)2−1}+1+u2{ex/u+e−x/u2−e+e−12}である。

(3) ∣t∣≦1 では t2−1≦0 であり、また et+e−t は [−1,1] で最大値を端点 t=±1 でとる。したがって(2)の z は0以下であり、平面 z=0 との間の高さは −z である。

固定した u における断面積を S(u) とすると、S(u)=∫−uu(−z) dx である。ここで x=ut と戻すと dx=u dt であり、S(u)=u∫−11[1−u2(1−t2)+1+u2{e+e−12−et+e−t2}]dt.必要な積分は ∫−11(1−t2) dt=43 および∫−11{e+e−12−et+e−t2}dt=(e+e−1)−(e−e−1)=2eである。よって S(u)=u{2(1−u)3+1+ue} となる。

求める体積は V=∫01S(u) du であるからV=∫01{2u(1−u)3+u(1+u)e}du=(13−29)+(12e+13e)=19+56eである。

別解

解法2

方針

掃過面を(u,t)で直接媒介表示し、x=utのヤコビアンuを使って体積を二重積分する。多項式部分と指数部分を分離して評価する。

解答

y=u における線分上の点は、P,Q の内分比からx=ut,z=1−u2(t2−1)+1+u2(et+e−t2−e+e−12).したがって ∣t∣≦1 より −u≦x≦u であり、t=x/u とすれば (1), (2) の式を得る。

(3) 0≦u≦1, ∣t∣≦1 で z≦0 である。写像 x=ut ではdx=u dt.よって体積は直接V=∫01∫−11(−z) u dt du=∫01u[1−u2∫−11(1−t2) dt+1+u2∫−11{e+e−12−et+e−t2}dt]du.二つの t 積分はそれぞれ43,2eである。したがってV=∫01{2u(1−u)3+u(1+u)e}du=19+56e.

総評

難度8、計算量8。目安時間は35分。空間内で動く線分を、平面 y=u の断面に落として処理する問題である。y 座標から内分比 (1+u)/2 を決めること、x=ut によって範囲 [−u,u] を得ること、最後に x=ut へ戻して積分を簡単にすることが重要である。指数部分は偶対称なので、端点値との差として 2/e が出ることを丁寧に計算したい。

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出典: 東北大学 1998年度 後期 理系 第4問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。