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東京工業大学 前期 1991年 解答解説 このページの閲覧数
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東京工業大学 前期 1991年 第3問 (解答解説)

📝 問題

とする. 2点A,から半円,に2本の接線を引き,接点をそれぞれ,とする. 線分,円弧,線分,で囲まれた図形を軸のまわりに回転してできる立体の体積をで表せ.

✏️ 解答解説

【解答】

円の中心をとおいて とする(). この様子を図に示す.

題意の状況

図 1: 題意の状況

この時の座標は

だからでの円の接線は

と書ける. これらがそれぞれを通るからの方程式に代入して

である.

点$A$,$B$,$C$,$D$,$E$の位置関係

図 2: 点,,,,の位置関係

題意の回転体の体積をとする.この回転体は座標の小さい方から順に,線分を回転させた円錐,間の弧を回転させた部分,線分を回転させた円錐の3つの部分から成る.

\begin is only supported in math mode\begin{align} V(a) &= \left(\text{ \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.1)}, scale=0.8, >=stealth] \node[anchor=east, font=\scriptsize] at (0,0.4) {B}; \draw (0,0.4) -- (1.5,0); \draw (0,0.4) -- (1.5,0.8); \draw (1.5,0.4) ellipse (0.15 and 0.4); \node[anchor=south, font=\scriptsize, yshift=2pt] at (1.5,0.8) {D}; \end{tikzpicture}}\right) + \left(\text{ \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.1)}, scale=0.8, >=stealth] \draw (0,0) -- (1.2,0); \draw (0,0.8) -- (1.2,0.8); \draw (0,0) -- (0,0.8); \draw (1.2,0) -- (1.2,0.8); \draw (0,0.8) to[out=45, in=135] (1.2,0.8); \draw[->] (0.6, -0.1) arc (200:340:0.1); \draw[->] (0.6, -0.1) arc (160:20:0.1); \node[anchor=south east, font=\scriptsize, xshift=2pt] at (0,0.8) {D}; \node[anchor=south west, font=\scriptsize, xshift=-2pt] at (1.2,0.8) {C}; \end{tikzpicture}}\right) + \left(\text{ \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.1)}, scale=0.8, >=stealth] \node[anchor=west, font=\scriptsize] at (1.5,0.4) {A}; \draw (1.5,0.4) -- (0,0); \draw (1.5,0.4) -- (0,0.8); \draw (0,0.4) ellipse (0.15 and 0.4); \node[anchor=south, font=\scriptsize, yshift=2pt] at (0,0.8) {C}; \end{tikzpicture}}\right) \end{align}

各項を個別に計算しよう.わかりやすさのためにから軸におろした垂線の足をとおくと(式1)より

である.は底面の半径高さの円錐であって,は底面の半径高さの円錐であるから(式3)にも注意して

\begin is only supported in math mode\begin{align} \left(\text{ \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.1)}, scale=0.8, >=stealth] \node[anchor=east, font=\scriptsize] at (0,0.4) {B}; \draw (0,0.4) -- (1.5,0); \draw (0,0.4) -- (1.5,0.8); \draw (1.5,0.4) ellipse (0.15 and 0.4); \node[anchor=south, font=\scriptsize, yshift=2pt] at (1.5,0.8) {D}; \end{tikzpicture}}\right)&=\dfrac{1}{3}\left(\pi|DD'|^2\right)\cdot |D'B| \\&=\dfrac{1}{3}\cdot(\pi\sin^2\beta)\cdot(a-\cos\beta+2) \\&=\dfrac{\pi}{3}\left(1-\left(\dfrac{1}{2+a}\right)^2\right)\left(a+2-\dfrac{1}{2+a}\right)\quad(\because\text{(式3)}) \\&=\dfrac{\pi}{3}\cdot\dfrac{\{(2+a)^2-1\}^2}{(2+a)^3}\\\left(\text{ \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.1)}, scale=0.8, >=stealth] \node[anchor=west, font=\scriptsize] at (1.5,0.4) {A}; \draw (1.5,0.4) -- (0,0); \draw (1.5,0.4) -- (0,0.8); \draw (0,0.4) ellipse (0.15 and 0.4); \node[anchor=south, font=\scriptsize, yshift=2pt] at (0,0.8) {C}; \end{tikzpicture}}\right)&=\dfrac{1}{3}\left(\pi|CC'|^2\right)\cdot |C'A| \\&=\dfrac{1}{3}(\pi\sin^2\alpha)(2-a-\cos\alpha) \\&=\dfrac{\pi}{3}\left(1-\left(\dfrac{1}{2-a}\right)^2\right)\left(2-a-\dfrac{1}{2-a}\right)\quad(\because\text{(式3)}) \\&=\dfrac{\pi}{3}\cdot\dfrac{\{(2-a)^2-1\}^2}{(2-a)^3} \end{align}

である. 最後に円弧の回転体部分は

\begin is only supported in math mode\begin{align} \left(\text{ \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.1)}, scale=0.8, >=stealth] \draw (0,0) -- (1.2,0); \draw (0,0.8) -- (1.2,0.8); \draw (0,0) -- (0,0.8); \draw (1.2,0) -- (1.2,0.8); \draw (0,0.8) to[out=45, in=135] (1.2,0.8); \draw[->] (0.6, -0.1) arc (200:340:0.1); \draw[->] (0.6, -0.1) arc (160:20:0.1); \node[anchor=south east, font=\scriptsize, xshift=2pt] at (0,0.8) {D}; \node[anchor=south west, font=\scriptsize, xshift=-2pt] at (1.2,0.8) {C}; \end{tikzpicture}}\right)&=\pi\int_{a-\cos\beta}^{a+\cos\alpha}\{1-(x-a)^2\}dx \\&=\pi\int_{-\cos\beta}^{\cos\alpha}(1-x^2)dx \\&=\pi\left[x-\dfrac{1}{3}x^3\right]_{-\frac{1}{2+a}}^{\frac{1}{2-a}}\quad(\because\text{(式3)}) \\&=\pi\left\{\left(\dfrac{1}{2-a}+\dfrac{1}{2+a}\right)-\dfrac{1}{3}\left(\left(\dfrac{1}{2-a}\right)^3+\left(\dfrac{1}{2+a}\right)^3\right)\right\} \end{align}

である.

以上(式9),(式13),(式17)を(式4)に代入して

が求める体積である.

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