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 、 である。これを x 軸まわりに回すと、断面は内半径 、外半径 の円環になり、面積が 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 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 である。固定した x に対して、x 軸からの距離の2乗は である。z が 1 から 2 まで動くので、回転後の断面は半径 から までの円環である。
したがって断面積は で一定である。よって体積は である。
を固定した回転後の断面は、面積 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 で決まるため、 と を入れるだけでよい。断面積が 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。