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東北大学 2006年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第5問

xyz空間において半径が1でx軸を中心軸として原点から両側に無限に伸びている円柱C1と,
半径が1でy軸を中心軸として原点から両側に無限に伸びている円柱C2がある.
C1C2の共通部分のうちy12である部分をKとおく.
以下の問に答えよ.

(1) u1u1を満たす実数とするとき,
平面z=uによるKの切断面の面積を求めよ.

(2) Kの体積を求めよ.

難易度7/ 10計算量6/ 10目安28

積分図形と方程式 体積計算、場合分け

方針

平面 z=u で切ると,2つの円柱条件は x2+u21y2+u21 となり,断面は正方形 sx,ysy1/2 を加えた図形になる。ただし s=1u2 である。s1/2 なら切り取りは効かず,s>1/2 なら上側を y=1/2 で切る。この断面積を u で積分して体積を求める。

解答

(1)

円柱 C1x 軸を中心軸とする半径1の円柱なので y2+z21 で表される。円柱 C2y 軸を中心軸とする半径1の円柱なので x2+z21 で表される。

平面 z=u で切る。1u1 とし s=1u2 とおくと,2つの円柱の条件は sxs,sys となる。さらに K では y12 が加わる。

したがって断面は,横の長さが 2s で,縦の範囲が symin(s,12) である長方形になる。 s1/2,すなわち 1u212 のときは u32 であり,y1/2 は断面を切らない。このとき断面積は (2s)(2s)=4s2=4(1u2) である。 s1/2,すなわち u32 のときは,縦の長さが 12(s)=s+12 である。よって断面積は 2s(s+12)=2s2+s=2(1u2)+1u2 である。

以上より,求める断面積は{2(1u2)+1u2(u32),4(1u2)(32u1)である。

(2)

断面積は u の偶関数である。したがって体積 VV=203/2{2(1u2)+1u2}du+23/214(1u2)duである。

まず多項式部分を計算すると203/22(1u2)du=4[uu33]03/2=332である。また23/214(1u2)du=8[uu33]3/21=16333である。

残る円弧部分については,y=1u2 が単位円の上半分を表すことを用いる。0u3/2 の下の面積は,中心角 π/3 の扇形と直角三角形の面積から03/21u2du=π6+38である。したがって203/21u2du=π3+34である。

以上を足すとV=332+(π3+34)+(16333)=163+π3534である。

高さ z=u の断面は長方形。平面 y=1/2 が上辺を切るかだけを場合分けする。

総評

難度7,計算量6。目安時間は28分。断面 z=u を取ると正方形になる点が見えると,立体はかなり扱いやすい。y1/2 が効くかどうかは s=1u21/2 の比較で決まり,ここで場合分けを誤ると体積全体がずれる。円弧部分の積分は単位円の扇形と三角形で処理すると,逆三角関数を使わずに書ける。 2つの場合の断面積は境界 u=3/2 でともに1となり、式の接続を検算できる。

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出典: 東北大学 2006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。