方針
直径 を 軸、底面内でそれに垂直な方向を 軸、高さ方向を 軸にとる。切断平面は としてよく、小さい部分は各 断面で となる部分である。断面の半幅 が円柱の高さ を超えるかどうかで場合分けし、最後に左右対称性で の積分を2倍する。
解答
(1)
底面を 平面、高さ方向を 軸にとり、直径 を 軸上におく。円柱は で表される。 を含み底面と の角をなす平面は、向きを選べば と表せる。小さい方の部分 は、 側でこの平面の下にある部分である。
直径 と直交し、 との距離が である断面を考える。これは または の断面で、面積は同じである。この断面内で の範囲は である。小さい部分に関係するのは であり、各 に対する高さは である。 のときは だから、である。したがってである。 のときは だから、平面 が上面に達しない。よって である。
以上よりである。
(2)
断面積は と で同じなので、体積はである。
ここでは、単位円の第1象限で にある部分の面積である。四分円から、中心角 の扇形と直角三角形との差を引けばしたがってまたである。したがって である。
で切った断面を 平面上に描くと、場合分けは次のように見える。青色部分の面積が である。
総評
難度7、目安時間30分。立体を一気に扱わず、 に垂直な断面で面積を求めるのが正攻法である。採点上は、断面の半幅 と円柱の高さ の大小で場合分けする理由を明示することが重要になる。典型ミスは、 側も小さい部分に含めてしまうこと、また最後の体積で左右対称の2倍を忘れることである。