東工大2009:第4問


\(xyz\) 空間の原点と点 \((1, 1, 1)\) を通る直線を \(\ell\) とする.

  1. (1) \(\ell\) 上の点 \(\left( \dfrac{t}{3} , \dfrac{t}{3} , \dfrac{t}{3} \right)\) を通り \(\ell\) と垂直な平面が, \(xy\) 平面と交わってできる直線の方程式を求めよ.

  2. (2) 不等式 \(0 \leqq y \leqq x(1-x)\) の表す \(xy\) 平面内の領域を \(D\) とする. \(\ell\) を軸として \(D\) を回転させて得られる回転体の体積を求めよ.


【 解 答 】

(1)

\(P \, \left( \dfrac{t}{3} , \dfrac{t}{3} , \dfrac{t}{3} \right)\) を通り, \(\ell\) に垂直な平面を \(H\) とおく.
\(H\) 上の点を \(( x , y, z )\) とおけば, \[\begin{gather} 1 \cdot \left( x-\dfrac{t}{3} \right) +1 \cdot \left( y-\dfrac{t}{3} \right) +1 \cdot \left( z-\dfrac{t}{3} \right) = 0 \\ \text{∴} \quad x+y+z = t \end{gather}\] \(xy\) 平面は \(z = 0\) なので, 代入すれば, 求める方程式は \[ \underline{x+y=t} \quad ... [1] \]

(2)

\(C : \ y = x(1-x)\) より, \(y' = 1-2x\) .
\(x = 1\) のときは, \(y' = -1\) .
したがって, 領域 \(D\) と直線 [1] が共有点をもつのは, \(0 \leqq t \leqq 1\) のとき.
このとき, 平面 \(H\) による回転体の断面積 \(S(t)\) とおく.
[1] と \(C\) の交点を \(Q\) , [1] と \(y=0\) との交点を \(R\) とおけば \[ S(t) = \pi \left( PR^2 -PQ^2 \right) \] ここで, [1] と \(C\) の式より \[\begin{align} x(1-x) & = t-x \\ x^2-2x+t & = 0 \\ \text{∴} \quad x = 1 & -\sqrt{1-t} \quad ( \ \text{∵} \ 0 \leqq x \leqq 1 ) \\ \text{∴} \quad y = t & -\left( 1 -\sqrt{1-t} \right) = t-1 +\sqrt{1-t} \end{align}\] なので, \(Q \ \left( 1 -\sqrt{1-t} , t-1 +\sqrt{1-t} , 0 \right)\) .
また, \(R \, ( t , 0 , 0 )\) なので \[\begin{align} PQ^2 & = \left( 1 -\dfrac{t}{3} -\sqrt{1-t} \right)^2 +\left( \dfrac{2t}{3} -1+\sqrt{1-t} \right)^2 +\left( -\dfrac{t}{3} \right)^2 \\ & = \left( 1-\dfrac{t}{3} \right)^2 -\left( 2 -\dfrac{2t}{3} \right) \sqrt{1-t} +(1-t) \\ & \qquad +\left( \dfrac{2t}{3} -1 \right)^2 +\left( \dfrac{4t}{3} -2 \right) \sqrt{1-t} +(1-t) +\dfrac{t^2}{9} \\ & = \dfrac{2t^2}{3} -4t +4 +(2t-4) \sqrt{1-t} , \\ PR^2 & = \left( \dfrac{2t}{3} \right)^2 +\left( -\dfrac{t}{3} \right)^2 +\left( -\dfrac{t}{3} \right)^2 \\ & = \dfrac{2t^2}{3} \end{align}\] したがって \[\begin{align} S(t) & = \pi \left\{ -4(1-t) -2(t-2) \sqrt{1-t} \right\} \\ & = \pi \left\{ 2 (1-t)^{\frac{3}{2}} -4(1-t) +2 (1-t)^{\frac{1}{2}} \right\} \end{align}\] ここで, \(\ell\) を回転軸 \(s\) 軸とすると, 微小部分 \(ds\) は \[\begin{align} ds^2 & = \left( \dfrac{t}{3} \right)^2 +\left( \dfrac{t}{3} \right)^2 +\left( \dfrac{t}{3} \right)^2 = \dfrac{dt^2}{3} \\ & \text{∴} \quad ds = \dfrac{dt}{\sqrt{3}} \end{align}\] 以上より, 求める体積 \(V\) は \[\begin{align}\ V & = \displaystyle\int _ 0^{\frac{1}{\sqrt{3}}} S(t) \, ds \\ & = \pi \displaystyle\int _ 0^1 \left\{ 2 (1-t)^{\frac{3}{2}} -4(1-t) +2 (1-t)^{\frac{1}{2}} \right\} \dfrac{dt}{\sqrt{3}} \\ & = \dfrac{\pi}{\sqrt{3}} \left[ -\dfrac{4}{5} (1-t)^{\frac{5}{2}} +2(1-t)^2 -\dfrac{4}{3} (1-t)^{\frac{3}{2}} \right] _ 0^1 \\ & = \dfrac{\pi}{\sqrt{3}} \left( \dfrac{4}{5} -2 +\dfrac{4}{3} \right) \\ & = \underline{\dfrac{2 \sqrt{3} \pi}{45}} \end{align}\]

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