方針
平面 で切ると,2つの円柱条件は , となり,断面は正方形 に を加えた図形になる。ただし である。 なら切り取りは効かず, なら上側を で切る。この断面積を で積分して体積を求める。
解答
(1)
円柱 は 軸を中心軸とする半径1の円柱なので で表される。円柱 は 軸を中心軸とする半径1の円柱なので で表される。
平面 で切る。 とし とおくと,2つの円柱の条件は となる。さらに では が加わる。
したがって断面は,横の長さが で,縦の範囲が である長方形になる。 ,すなわち のときは であり, は断面を切らない。このとき断面積は である。 ,すなわち のときは,縦の長さが である。よって断面積は である。
以上より,求める断面積はである。
(2)
断面積は の偶関数である。したがって体積 はである。
まず多項式部分を計算するとである。またである。
残る円弧部分については, が単位円の上半分を表すことを用いる。 の下の面積は,中心角 の扇形と直角三角形の面積からである。したがってである。
以上を足すとである。
高さ の断面は長方形。平面 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 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。 が効くかどうかは と 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 でともに1となり、式の接続を検算できる。