早大理工数学'08年[1]

aを正の定数とする。xy-座標平面において、曲線と、直線とで囲まれた部分をDとおく。以下の問に答えよ。
(1) Dの概形を描き、その面積を求めよ。
(2) 直線を軸として、Dを1回転してできる図形の体積を求めよ。


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解答 気力が必要な微積分の計算問題ですが、(1)は、Dの概形を捉えるのに凹凸まで考える必要があるので、陰関数で扱うよりも陽関数にしてしまう方がやり易いと思います(陰関数の微分法を参照)。(2)は、定型問題ですが、正答するのはなかなか容易ではありません。ここでは、2通りの扱いでやってみたいと思います。但し、必ずしも、座標回転でラクになるとも言えません(極形式を参照)。

(1) 曲線: ・・・�@
は、,より、を定義域とします。また、�@は、
直線: ・・・�A
とは、,を共有します。�@より、
 ・・・�B
 
()
よって、�@のyは単調減少です(関数の増減を参照)。
 ()
よって、�@のグラフは下に凸です(ということは、において、�@の方が�Aの下に来る。関数の凹凸を参照)。
Dの概形は、右図で黄緑色で着色された部分。

�Aは、と変形できるので、
Dの面積Sは、
 (定積分と面積を参照)

......[答]

(2) 右上図において、曲線�@上の点Qから直線�Aに下ろした垂線の足をR,点Pから直線�Aに沿い右下に向かってu軸をとり、とします。
このとき、点Rの存在範囲:を考えて、Dを直線�Aを軸として回転させてできる図形の体積Vは、
 ・・・�C (斜回転体を参照)
と表されます。点Qと直線:との距離を考えることにより、
 ・・・�D (点と直線の距離を参照)
また、点Qを通って、直線�Aに垂直な直線は(2直線の平行・垂直を参照)、
 ・・・�E
�Aと�Eを連立することにより、交点Rのx座標は、

∴
はこのx座標の倍で、 ・・・�F

∴
u:のとき、t:
よって、�Cは、�Fの置換により
(置換積分を参照)、�Dを用いて、



......[答]
(uの積分のままでもできますが、上端がとなってがつく分だけ若干面倒です)

別解 面積と回転体の体積を座標回転でやってみます(極形式を参照)。
複素数を時計回り(負方向)に回転して、になるとすると、
∴ , ・・・�G
�Bに代入すると、

2乗すると、

∴
従って、曲線�@を反時計回り(正方向)に回転すると、放物線:
 ・・・�H
となります。
�Gを�Aに代入すると、


∴
従って、直線�Aを反時計回りに回転すると、直線:となります。
�Hと連立すると、


∴
(1)の面積Sは、
......[答] (定積分の公式を参照)
(2)の体積Vは、
......[答]
注 です。
曲線と直線の式を変換する必要がありますが、積分計算はラクになります。



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