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愛知医科大学/2023年度/一般

愛知医科大学 2023年 数学 第III問解答・解説

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1問題

愛知医科大学2023年度第III問

原点を中心とする半径1の球面 KK が、平面 z=12\displaystyle z=\frac{1}{2} と交わってできる円を CC とする。半径1の円板 LL が、LL の中心 PP で KK と接しているとき、次の問いに答えよ。

球面Kの図で、共通の黒点からx軸が左下、y軸が右、z軸が上へ矢印付きで延びている。球の上半分に実線の楕円として円Cが描かれ、その手前側に黒点P₀、z軸との交点に黒点と1/2の表示がある。中央の水平断面は破線の楕円で示され、球の右下にKと記されている。

1) 点 PP は円 CC 上の点 P0(32,0,12)\displaystyle P_{0}\left(\frac{\sqrt{3}}{2},0,\frac{1}{2}\right) にあるとして、円板 LL 上の任意の点の zz 座標 tt のとり得る値の範囲を求めよ。  2) tt は1)で得られた値をとるとし、平面 z=tz=t と円板 LL の共通部分を MM とする。MM 上の点で zz 軸に一番近い点と zz 軸との距離を d1d_{1} とするとき、d1d_{1} を tt で表せ。  3) 点 PP が P0P_{0} から出発して円 CC 上を1周するとき、円板 LL が通過してできる立体の体積 VV を求めよ。

まずは自分で解いてみましょう。詰まったら「考え方」、解けたら「答え」で確かめられます。

2解答

解答を見る答えはこの解答の中にあります

愛知医科大学 2023年度 医学部一般選抜 数学 III

問題 ID: `MM-1f16746c14e5-Q3`

球面は x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1。点 P0=(32,0,12)\displaystyle P_0=\left(\frac{\sqrt3}{2},0,\frac12\right) は単位球面上にある。球面の接平面は、半径方向 P0P_0 に垂直なので 32x+12z=1.(1)\displaystyle \frac{\sqrt3}{2}x+\frac12z=1. \tag{1} 円板 LL はこの接平面内にあり、中心 P0P_0、半径1である。

1) 円板上の点のz座標の範囲

平面(1)上で高さ z=tz=t の点は x=2−t3.\displaystyle x=\frac{2-t}{\sqrt3}. 点 (x,y,t)(x,y,t) が円板内にある条件は (x−32)2+y2+(t−12)2≦1.\displaystyle \left(x-\frac{\sqrt3}{2}\right)^2+y^2+ \left(t-\frac12\right)^2\le1. δ=t−1/2\delta=t-1/2 とすると x−3/2=−δ/3x-\sqrt3/2=-\delta/\sqrt3 なので、ある実数 yy が存在するための必要十分条件は δ23+δ2≦1すなわち∣δ∣≦32.\displaystyle \frac{\delta^2}{3}+\delta^2\le1 \text{すなわち} |\delta|\le\frac{\sqrt3}{2}. 従って 1−32≦t≦1+32.\displaystyle \boxed{\frac{1-\sqrt3}{2}\le t\le\frac{1+\sqrt3}{2}}.

2) z軸に最も近い距離 d1d_1

高さ tt の点はすべて x=(2−t)/3x=(2-t)/\sqrt3 を満たし、この値は上の範囲で正である。円板内では y2≦1−43(t−12)2.\displaystyle y^2\le1-\frac43\left(t-\frac12\right)^2. z軸までの距離は x2+y2\sqrt{x^2+y^2} なので最小は y=0y=0 のとき。これが円板内に可能なのは1)で得た範囲の条件そのものである。よって d1=2−t3(1−32≦t≦1+32).\displaystyle \boxed{d_1=\frac{2-t}{\sqrt3}} \quad\left(\frac{1-\sqrt3}{2}\le t\le\frac{1+\sqrt3}{2}\right).

3) 円板が通過してできる立体の体積

円 CC の半径は r=3/2r=\sqrt3/2。点PがC上を動くとき、その位置を P=(rcos⁡φ,rsin⁡φ,1/2)P=(r\cos\varphi,r\sin\varphi,1/2) と表す。er=(cos⁡φ,sin⁡φ,0)e_r=(\cos\varphi,\sin\varphi,0)、eφ=(−sin⁡φ,cos⁡φ,0)e_\varphi=(-\sin\varphi,\cos\varphi,0) とし、高さ tt にある点を X=qer+seφ+t(0,0,1)X=q e_r+s e_\varphi+t(0,0,1) とする。接平面の式 P⋅X=1P\cdot X=1 より q=1−t/2r=2−t3.\displaystyle q=\frac{1-t/2}{r}=\frac{2-t}{\sqrt3}. これはz軸からその水平断面の直線までの距離である。また、円板の中心Pからの距離の二乗は ∣X−P∣2=(q−r)2+s2+(t−1/2)2=43(t−12)2+s2.\displaystyle |X-P|^2=(q-r)^2+s^2+(t-1/2)^2 =\frac43\left(t-\frac12\right)^2+s^2. 円板内である条件は ∣X−P∣2≦1|X-P|^2\le1。従って ∣s∣≦h(t):=1−43(t−12)2.\displaystyle |s|\le h(t):=\sqrt{1-\frac43\left(t-\frac12\right)^2}. Pが円Cを一周すると φ\varphi が全周を動くため、高さ tt の断面は内半径 q=d1(t)q=d_1(t)、外半径 q2+h(t)2\sqrt{q^2+h(t)^2} の円環となる。断面積は π((q2+h2)−q2)=π(1−43(t−12)2).\displaystyle \pi\bigl((q^2+h^2)-q^2\bigr) =\pi\left(1-\frac43\left(t-\frac12\right)^2\right). よって体積は V=π∫(1−3)/2(1+3)/2(1−43(t−12)2)dt=π∫−3/23/2(1−43δ2)dδ=233π.\displaystyle \begin{aligned} V &=\pi\int_{(1-\sqrt3)/2}^{(1+\sqrt3)/2} \left(1-\frac43\left(t-\frac12\right)^2\right)dt\\ &=\pi\int_{-\sqrt3/2}^{\sqrt3/2} \left(1-\frac43\delta^2\right)d\delta =\boxed{\frac{2\sqrt3}{3}\pi}. \end{aligned}

**使用解法:** 球面の接平面、円板内距離条件、回転対称性を用いた水平断面の円環化、断面積の積分。

この問題で使う考え方

  • 空間座標と空間ベクトル
  • 位置ベクトル
  • ベクトルの内積
  • 定積分による体積
  • 不定積分・定積分の性質

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