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東北大学 2018年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第6問

xy 平面内の図形S:{x+y2≦2,x+y≧0,x−y≦2を考える。図形 S を直線 y=−x のまわりに1回転して得られる立体の体積を V とする。

(1)
S を xy 平面に図示せよ。

(2)
V を求めよ。

難易度8/ 10計算量8/ 10目安36分

積分、図形と方程式 座標設定、体積計算、置換積分

方針

回転軸 y=−x に合わせて、軸からの距離を表す u=(x+y)/2、軸方向を表す v=(x−y)/2 を導入する。条件 x+y≧0 は u≧0、x−y≦2 は v≦2 になる。放物線側の条件を u,v で解くと、各 v に対する u の上限が得られる。回転後の断面は半径 umax⁡(v) の円なので、円板法で πumax⁡2 を積分する。

解答

(1)
条件を x について見ると x≦2−y2,x≧−y,x≦y+2 である。直線 x=−y と直線 x=y+2 の交点は (−1,1) であり、直線 x=−y と放物線 x=2−y2 の交点は y2−y−2=0 より (−2,2),(1,−1) である。さらに直線 x=y+2 と放物線 x=2−y2 の交点は y+2=2−y2 より y=0,−1 であり、関係する点は (2,0),(1,−1) である。

したがって、−1≦y≦0 では −y≦x≦y+2 であり、0≦y≦2 では −y≦x≦2−y2 である。この領域を図示すれば、直線 x=−y、直線 x=y+2、放物線 x=2−y2 で囲まれる部分である。

(2)
回転軸 y=−x に合わせて u=x+y2,v=x−y2 とおく。この変換では x=u+v2,y=u−v2 である。回転軸は u=0 であり、条件 x+y≧0 は u≧0 である。また x−y≦2 は v≦2 である。

残る条件 x+y2≦2 を u,v で表すと u+v2+(u−v2)2≦2 である。境界を u について解くと u=v−22+1218−82v が上側の解である。さらに u=0 が領域に含まれる v の範囲は −22≦v≦2 である。したがって領域は−22≦v≦2,0≦u≦v−22+1218−82vで表される。

この領域を u=0 のまわりに回転すると、v を固定した断面は半径 U(v)=v−22+1218−82v の円である。よって体積は V=π∫−222U(v)2 dv である。展開して積分するとV=π∫−222(v−22+1218−82v)2dv=582π15である。

別解

解法2(円筒殻法)

方針

回転軸に合わせた直交座標 (u,v) は解法1と同じだが、今度は軸からの距離 u を固定する。領域の v 方向の長さを求め、半径 u、高さがその長さである円筒殻を積分する。

解答

(1)
直交変換u=x+y2,v=x−y2を用いる。放物線条件の境界を v について解くとv±(u)=u−22±1218−82u.また直線条件は u≧0, v≦2 である。元の座標では、境界は x=−y、x=y+2、x=2−y2 であり、領域は次の図の網掛け部分になる。

(2)
u を固定した領域の v 方向の長さはL(u)={2−v−(u)(0≦u≦2),v+(u)−v−(u)(2≦u≦928).回転後の円筒殻の半径は u なのでV=2π∫02u{2−v−(u)} du+2π∫292/8u{v+(u)−v−(u)} du.平方根を含む項には w=18−82u を用いて計算するとV=582π15を得る。断面円板法とは積分方向が直交する独立な検算になる。

総評

難度8、目安時間36分。回転軸が斜めなので、軸に沿った直交座標 (u,v) を入れるのが最も安定する。u は軸からの距離、v は軸方向の座標なので、回転後の断面を円板として扱える。難所は放物線条件を u について解く計算と、v の範囲を u=0 との交わりから決める部分である。最後の積分は長いが、上限関数を正しく置ければ機械的に進む。

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出典: 東北大学 2018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。