[math]2016年東京医科歯科大学数学問題2

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問題

xyz空間において連立不等式|x|1,|y|1,|z|1の表す領域をQとし、正の実数rに対してx2+y2+z2rの表す領域をSとする。また、QSのいずれか一方のみに含まれる点全体がなす領域をRとし、Rの体積をV(r)とする。さらに、x1の表す領域とSの共通部分をSxy1の表す領域とSの共通部分をSyz1の表す領域とSの共通部分をSzとし、Sxを満たすrの最小値をr1SxSyを満たすrの最小値をr2SxSySzを満たすrの最小値をr3とする。ただし、は空集合を表す。このとき以下の各問に答えよ。
(1) r=103のとき、Rxy平面による断面を図示せよ。
(2) r1,r2,r3およびV(r1),V(r3)を求めよ。
(3) rr1のとき、Sxの体積をrを用いて表わせ。
(4) 0<rr2において、V(r)が最小となるrの値を求めよ。

方針

仰仰しい問題文だが、それほど難しくはない。(1)(4)の良いヒントになっている。

解答

(1) x2+y2109|x|1,|y|1xy平面上に描くと以下の斜線部の様になる。

Rxy平面での断面図。

境界については、実線部は含まれ、点線部は除かれる。

(2) r1=1であることは簡単。x1かつy1の領域にSが含まれるとき、r12+12=2でなかればならない。したがってr2=2である。また、x1かつy1かつz1の領域にSが含まれるとき、r12+12+12=3でなければならない。したがってr3=3である。

V(r1)1辺の長さが2の立方体の体積から半径1の球の体積を除いたもので、V(r1)=843πである。

V(r3)は半径3の球の体積から1辺の長さが2の立方体の体積を除いたもので、V(r3)=43π(3)38=43π8である。

(3) r1=1trとして、x軸に垂直な断面でSxを切ると、断面は円で、下の図から半径はr2t2となる。求める体積は1r(r2t2)2πdt=π[r2tt33]1r=π(23r3r2+13)となる。

x軸に垂直な平面でSxを切る。

(4) 0<r1のときV(r)1辺の長さが2の立方体の体積から半径rの球の体積を除いたものなので、V(r)=843πr3である。1r2のときV(r)の体積は、1辺の長さが2の立方体の体積から、半径rの球の体積(3)Sx6倍を除き、さらにSxの体積の6倍を加えたものである。したがってこのとき、V(r)=8(43πr36Sx)+6Sx=4π(53r33r2+1)+8である。まとめると、V(r)={843πr3  (0<r1)4π(53r33r2+1)+8  (1r2)である。

0<r1ではV(r)は単調減少である。1r2のとき、V(r)=4πr(5r6)となる。したがってV(r)1r65で単調減少であり、r=65で極小値を取り、65r2で単調増加である。以上より、0<rr2においてV(r)が最小になるのはr=65である。

解説

教育的な問題である。(1),(2),(3)と順に思考を重ねることで(4)の答えに到達できるようになっている。何度も記載しているが、空間・立体の問題、特に体積を求める問題の基本はまず可能な限り立体の方程式を求め、適当な平面で断面を考え、面積を求めてから、最後に体積を求めることである。具体的にはx=ty=tなどと置いて、平面の面積の問題に落としてから、それをtについて微分すれば良い。こちらの記事も参考にすると良い。

1983年東京大学理系数学第6問 斜回転体の体積

関連問題

1991年前期東京医科歯科大学数学問題2 空間図形と方程式
2006年東京大学後期数学問題2 空間座標と積分、形状が容易には分からない場合
2006年度前期東京医科歯科大学数学問題2 四面体、空間座標、体積
2010年東京医科歯科大学前期数学問題2 空間図形と体積
2012年東京医科歯科大学前期数学問題2 空間図形と求積、断面図

関連リンク

Science Tokyo 旧・東京医科歯科大学

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