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東北大学 2010年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第5問

0<t<3のとき,連立不等式
{0ysinx0xty
の表す領域をx軸のまわりに回転して得られる立体の体積をV(t)とする.
ddtV(t)=π4となるtと,
そのときのV(t)の値を求めよ.

難易度7/ 10計算量7/ 10目安30

積分三角関数微分 体積計算微分による最大最小、置換積分

方針

領域は 0ysinxytx の共通部分である。上端は sinxtx の小さい方なので,交点 uu+sinu=t で定めて積分区間を分ける。体積を V(t) として書いた後,ut に依存することに注意して微分するが,交点では sinu=tu であるため境界項が打ち消し合う。

解答

領域の条件は 0ysinx,0xty である。第2の不等式は ytx と同値である。したがって,固定した x に対する上端は min(sinx,tx) である。

0<t<3<π であるから,0xt において x+sinx は単調に増加する。よって u+sinu=t を満たす u がただ1つ存在する。0xu では x+sinxu+sinu=t より sinxtx である。一方,uxt では txsinx である。

したがって、x 軸のまわりに回転してできる体積はV(t)=π0usin2xdx+πut(tx)2dxである。

これを t で微分する。ut の関数であることに注意すると1πdVdt=sin2ududt(tu)2dudt+ut2(tx)dx.ここで u+sinu=t より tu=sinu なので、最初の2項は打ち消し合う。したがってdVdt=πut2(tx)dx=π(tu)2=πsin2uである。

条件 dVdt=π4sin2u=14 を意味する。0<u<t<3<π であり,また t=u+sinu<3 を満たす必要がある。0<u<πsinu=1/2 となるのは u=π6,u=5π6 であるが,u=5π/6 では t=u+sinu=5π6+12>3 となり不適である。よって u=π6 であり,t=π6+12 である。

このときV=π0π/6sin2xdx+ππ/6π/6+1/2(π6+12x)2dxである。まず0π/6sin2xdx=0π/61cos2x2dx=[x2sin2x4]0π/6=π1238である。また,後半の積分は s=π6+12x とおくとπ/6π/6+1/2(π6+12x)2dx=01/2s2ds=124である。

したがって V=π(π1238+124) である。

回転する領域の上端

交点 u+sinu=t を境に、上端が sinx から tx へ切り替わる。

総評

難度は10段階中7、計算量は10段階中7。目安時間は30分程度で、領域の上端が sinx から直線 tx に切り替わる点を正しく置けるかが最大の山である。u+sinu=t を導入した後、微分で u(t) の項が消えるのは交点条件 tu=sinu のためであり、ここを説明できると答案の信頼度が上がる。sinu=1/2 では 5π/6 も候補に見えるが、t<3 を満たさないので除外する必要がある。

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出典: 東北大学 2010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。