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佐賀大学/2020年度/前期

佐賀大学 2020年 数学 第3問解答・解説

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1問題

佐賀大学2020年度第3問

0<t<20<t<2 とする。f(x)=x(3−x)f(x)=x(3-x), g(x)=2x(x−2)g(x)=2x(x-2) とおく。曲線 y=f(x)y=f(x) (0≦x≦t0\leq x\leq t) と直線 x=tx=t および xx 軸で囲まれた図形を xx 軸の周りに1回転してできる立体の体積を V1(t)V_1(t) とする。曲線 y=g(x)y=g(x) (t≦x≦2t\leq x\leq2) と直線 x=tx=t および xx 軸で囲まれた図形を xx 軸の周りに1回転してできる立体の体積を V2(t)V_2(t) とする。V(t)=V1(t)+V2(t)V(t)=V_1(t)+V_2(t) とおくとき、次の問に答えよ。

(1) V1(t)V_1(t) を tt を用いて表せ。

(2) V2(t)V_2(t) を tt を用いて表せ。

(3) 0<t<20<t<2 における V(t)V(t) の増減を調べ、極値を求めよ。

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

0<t<20<t<2 のとき、各積分範囲で半径の2乗は0以上である。円形の断面積を積分すると、 V1(t)=π∫0t[x(3−x)]2dx=π(3t3−32t4+15t5).\displaystyle V_1(t)=\pi\int_0^t [x(3-x)]^2dx =\pi\left(3t^3-\frac32t^4+\frac15t^5\right). V2(t)=4π∫t2x2(x−2)2dx=π(6415−163t3+4t4−45t5).\displaystyle V_2(t)=4\pi\int_t^2 x^2(x-2)^2dx =\pi\left(\frac{64}{15}-\frac{16}{3}t^3+4t^4-\frac45t^5\right). したがって V(t)=π(6415−73t3+52t4−35t5),V′(t)=−πt2(3t−7)(t−1).\displaystyle V(t)=\pi\left(\frac{64}{15}-\frac73t^3+\frac52t^4-\frac35t^5\right), \quad V'(t)=-\pi t^2(3t-7)(t-1). 0<t<10<t<1 では V′<0V'<0、1<t<21<t<2 では V′>0V'>0 である。したがって 0<t<20<t<2 の範囲では減少した後に増加し、唯一の極値は t=1t=1 での極小値 V(1)=23π/6V(1)=\boxed{23\pi/6} である。この範囲で最大値はない。

Tags. Unit: definite integrals, volume of revolution, differentiation/monotonicity. Method: disk integral, polynomial antiderivative, derivative factorization and sign chart. Theme: optimize the sum of two adjacent solids.

Quality comparison and disposition Independent derivation was saved before consulting the prior answer. The prior final result agrees: V1=π(3t3−32t4+15t5)\displaystyle V_1=\pi\left(3t^3-\frac32t^4+\frac15t^5\right); V2=pi(64/15-16t^3/3+4t^4-4t^5/5); V decreases on (0,1), increases on (1,2), minimum 23pi/6 at t=1; no maximum.. All three formulas, derivative signs, and the minimum agree. The original accepted result files and their evidence metadata remain untouched. Prior actual-result evidence was not independently validated, so actual model status stays UNVERIFIED.  Disposition: mathematics PASS; source eligible; display matched; adopt this independent high-school solution.

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