東工大数学'20年前期[4]
nを正の奇数とする。曲線 ()とx軸で囲まれた部分をとする。直線をとおき、の周りにを1回転させてできる回転体をとする。
(1) に対して、点をPとおく。また、Pからに下ろした垂線とx軸の交点をQとする。線分PQをの周りに1回転させてできる図形の面積をxの式で表せ。 (2) (1)の結果を用いて、回転体の体積をnの式で表せ。
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解答 斜回転体の問題です。誘導が付いているので、解いた経験があれば、特に問題はないでしょう。計算ミスに注意します。
(1) Pからに下ろした垂線の足をHとして、この垂線は、傾き1で点Pを通るので、直線上の点をとして、 x軸との交点は、として、,つまり、Q
P,Qは、それぞれHを中心として、半径HP,半径HQの円周,を描くので、線分PQをの周りに1回転させてできる図形は、両円周に挟まれた領域となります。
:と@の交点Hのx座標は、両式を連立し、 , ・・・A Hを通りx軸に平行な直線にP,Qから下ろした垂線の足を、R,Sとすると、右図で、直線@の傾きは1なので、,,よって、 ......[答]
(2) (1)で面積を求めた図形の回転軸は直線であって、x軸ではないので、としても回転体の体積は求められません。回転体の体積を求めるためには、回転体の回転軸に垂直な断面の面積を、回転軸(本問では、直線)に沿って積分しなければなりません。に沿って原点からの距離はOHで、線分PQが存在するOHの範囲はなので、求める体積は、となります。 このままでは、をOHで積分できないので、OHをxで表して置換積分します。OH:のときx:,Aより、,
従って、 これより、
......[答]
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