\(xyz\) 空間において連立不等式 \[ |x| \leqq 1 , \quad |y| \leqq 1 , \quad |z| \leqq 1 \] の表す領域を \(Q\) とし, 正の実数 \(r\) に対して \(x^2 +y^2 +z^2 \leqq r^2\) の表す領域を \(S\) とする. また, \(Q\) と \(S\) 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
\(x \geqq 1\) の表す領域と \(S\) の共通部分を \(S _ x\)
\(y \geqq 1\) の表す領域と \(S\) の共通部分を \(S _ y\)
\(z \geqq 1\) の表す領域と \(S\) の共通部分を \(S _ z\)
とし,
\(S _ x \neq \emptyset\) を満たす \(r\) の最小値を \(r _ 1\)
\(S _ x \cap S _ y \neq \emptyset\) を満たす \(r\) の最小値を \(r _ 2\)
\(S _ x \cap S _ y \cap S _ z \neq \emptyset\) を満たす \(r\) の最小値を \(r _ 3\)
とする. ただし, \(\emptyset\) は空集合を表す. このとき以下の各問いに答えよ.
(1) \(r = \dfrac{\sqrt{10}}{3}\) のとき, \(R\) の \(xy\) 平面による断面を図示せよ.
(2) \(r _ 1 , r _ 2 , r _ 3\) および \(V( r _ 1 ) , V( r _ 3 )\) を求めよ.
(3) \(r \geqq r _ 1\) のとき, \(S _ x\) の体積を \(r\) を用いて表せ.
(4) \(0 \lt r \leqq r _ 2\) において, \(V(r)\) が最小となる \(r\) の値を求めよ.
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