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東北大学 2013年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第6問

半径1の円を底面とする高さ12の直円柱がある。
底面の円の中心をOとし,直径を1つ取りABとおく。
ABを含み底面と45の角度をなす平面でこの直円柱を2つの部分に分けるとき,
体積の小さい方の部分をVとする。

(1) 直径ABと直交し,Oとの距離がt (0t1)であるような平面で
Vを切ったときの断面積S(t)を求めよ。

(2) Vの体積を求めよ。

難易度7/ 10計算量7/ 10目安30

積分図形と方程式 体積計算、場合分け、座標設定

方針

直径 ABx 軸、底面内でそれに垂直な方向を y 軸、高さ方向を z 軸にとる。切断平面は z=y としてよく、小さい部分は各 x=t 断面で 0zmin(y,1/2) となる部分である。断面の半幅 1t2 が円柱の高さ 1/2 を超えるかどうかで場合分けし、最後に左右対称性で t0 の積分を2倍する。

解答

(1)
底面を xy 平面、高さ方向を z 軸にとり、直径 ABx 軸上におく。円柱は x2+y21,0z12 で表される。AB を含み底面と 45 の角をなす平面は、向きを選べば z=y と表せる。小さい方の部分 V は、y0 側でこの平面の下にある部分である。

直径 AB と直交し、O との距離が t である断面を考える。これは x=t または x=t の断面で、面積は同じである。この断面内で y の範囲は 1t2y1t2 である。小さい部分に関係するのは 0y1t2 であり、各 y に対する高さは min(y,12) である。 0t1/2 のときは 1t21/2 だから、S(t)=01/2ydy+1/21t212dyである。したがってS(t)=14+12(1t212)=121t214である。 1/2t1 のときは 1t21/2 だから、平面 z=y が上面に達しない。よって S(t)=01t2ydy=1t22 である。

以上よりS(t)={121t214(0t12),1t22(12t1)である。

(2)
断面積は x=tx=t で同じなので、体積はV=201/2(121t214)dt+21/211t22dtである。

ここでI=01/21t2dtは、単位円の第1象限で 0t1/2 にある部分の面積である。四分円から、中心角 π/4 の扇形と直角三角形との差を引けばI=π4(π814)=π8+14.したがって201/2(121t214)dt=2I122=2π8.また21/211t22dt=1/21(1t2)dt=235212である。したがって V=23+2π85212 である。

x=t で切った断面を yz 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 S(t) である。

総評

難度7、目安時間30分。立体を一気に扱わず、AB 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 1t2 と円柱の高さ 1/2 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、y<0 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。

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出典: 東北大学 2013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。