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東北大学 2007年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第5問

xyz空間において、点(1,0,1)と点(1,0,2)を結ぶ線分をlとし、
lz軸のまわりに一回転してできる図形をAとする。
Ax軸のまわりに一回転してできる立体の体積を求めよ。

難易度6/ 10計算量4/ 10目安20

積分図形と方程式 体積計算

方針

線分 l を z 軸まわりに回すと、半径 1、高さ 1 の円柱側面 A になる。次に A を x 軸のまわりに回した立体を、x を固定した断面で見る。x が -1 から 1 まで動くとき、元の円柱側面では y2=1x21z2 である。これを x 軸まわりに回すと、断面は内半径 2x2、外半径 5x2 の円環になり、面積が 3π と一定になるので積分する。

解答

線分 l は点 (1,0,1) と点 (1,0,2) を結ぶので、z 軸からの距離は常に 1 であり、z は 1 から 2 まで動く。したがって、l を z 軸のまわりに1回転してできる図形 A は x2+y2=1,1z2 で表される円柱の側面である。

この A を x 軸のまわりに回転してできる立体を、x に垂直な平面で切る。A 上では 1x1,y2=1x2,1z2 である。固定した x に対して、x 軸からの距離の2乗は y2+z2=1x2+z2 である。z が 1 から 2 まで動くので、回転後の断面は半径 1x2+1=2x2 から 1x2+4=5x2 までの円環である。

したがって断面積は π{(5x2)(2x2)}=3π で一定である。よって体積は 113πdx=6π である。

x を固定した回転後の断面は、面積 3π の円環になる。

総評

難度6、計算量4。2回の回転を一度に想像しようとすると複雑に見えるが、最初の回転で円柱側面ができることを確認し、次に x 固定の断面で見ると円環になる。内半径・外半径は y2+z2 で決まるため、z=1z=2 を入れるだけでよい。断面積が 3π と一定になる点に気づくと計算は短い。空間図形の把握に時間を使い、式の処理は10分程度で終えたい。

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出典: 東北大学 2007年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。