九州大学 工学府 機械系専攻 2019年度 数学 問3
Author
祭音Myyura (refined with GPT 6 Astra)
Description
C C C を初期位置が座標 ( 0 , r ) (0,r) ( 0 , r ) を中心とする X Y XY X Y 平面上の半径 r r r の円とする。C C C は X X X 軸上を正方向へ滑ることなく角度 θ [ r a d ] \theta\,[\mathrm{rad}] θ [ rad ] だけ転がるとする。P P P を C C C の円周上の点とし、C C C が初期位置にあるとき P P P は原点 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) と一致する。以下の問いに答えよ。(50点)
P P P の座標 ( x , y ) (x,y) ( x , y ) を r r r と θ \theta θ を用いて示せ。
C C C が1回転するときの P P P の軌跡と X X X 軸に囲まれた面積を求めよ。
次に、X Y Z XYZ X Y Z 空間における S S S を座標 ( 0 , r , 0 ) (0,r,0) ( 0 , r , 0 ) を中心とする半径 2 r 2r 2 r の球体とし、C ′ C' C ′ を θ = 1 \theta=1 θ = 1 の時の C C C を底面とする Z Z Z 軸正方向に高さ 2 r 2r 2 r を持つ円柱とする。以下の問に答えよ。
S S S および C ′ C' C ′ について、X Y XY X Y 平面への投影図を描け。
S S S と C ′ C' C ′ が重なる空間の体積を求めよ。
题目描述
半径为 r r r 的圆 C C C 初始圆心为 ( 0 , r ) (0,r) ( 0 , r ) ,沿 X X X 轴正方向无滑动滚动 θ \theta θ 弧度。圆周上一点 P P P 初始位于原点。① 求 P P P 的坐标;② 求圆滚动一周时 P P P 的轨迹与 X X X 轴围成的面积。再取圆心为 ( 0 , r , 0 ) (0,r,0) ( 0 , r , 0 ) 、半径为 2 r 2r 2 r 的球体 S S S ,以及以 θ = 1 \theta=1 θ = 1 时的圆 C C C 为底面、沿 Z Z Z 轴正方向高为 2 r 2r 2 r 的圆柱 C ′ C' C ′ 。③ 画出两立体在 X Y XY X Y 平面的投影;④ 求其交集体积。
Kai
(1)
円の中心は ( r θ , r ) (r\theta,r) ( r θ , r ) に移動し、中心に対する P P P の位置は ( − r sin θ , − r cos θ ) (-r\sin\theta,-r\cos\theta) ( − r sin θ , − r cos θ ) 。よって
x = r ( θ − sin θ ) , y = r ( 1 − cos θ ) . \boxed{x=r(\theta-\sin\theta),\qquad y=r(1-\cos\theta)}. x = r ( θ − sin θ ) , y = r ( 1 − cos θ ) .
(2)
d x = r ( 1 − cos θ ) d θ dx=r(1-\cos\theta)d\theta d x = r ( 1 − cos θ ) d θ より、面積は
A = ∫ 0 2 π r 2 ( 1 − cos θ ) 2 d θ = 3 π r 2 . A=\int_0^{2\pi}r^2(1-\cos\theta)^2d\theta
=\boxed{3\pi r^2}. A = ∫ 0 2 π r 2 ( 1 − cos θ ) 2 d θ = 3 π r 2 .
(3)
θ = 1 \theta=1 θ = 1 のときの円の中心は ( r , r ) (r,r) ( r , r ) なので、投影領域は
S : x 2 + ( y − r ) 2 ≤ 4 r 2 , C ′ : ( x − r ) 2 + ( y − r ) 2 ≤ r 2 . S:\ x^2+(y-r)^2\le4r^2,\qquad
C':\ (x-r)^2+(y-r)^2\le r^2. S : x 2 + ( y − r ) 2 ≤ 4 r 2 , C ′ : ( x − r ) 2 + ( y − r ) 2 ≤ r 2 .
半径 2 r 2r 2 r の円板の内部に半径 r r r の円板があり、( 2 r , r ) (2r,r) ( 2 r , r ) で内接する。
(4)
v = y − r v=y-r v = y − r とし、x = ρ cos φ x=\rho\cos\varphi x = ρ cos φ 、v = ρ sin φ v=\rho\sin\varphi v = ρ sin φ とおく。円柱の底面は
0 ≤ ρ ≤ 2 r cos φ , − π 2 ≤ φ ≤ π 2 . 0\le\rho\le2r\cos\varphi,\qquad
-\frac\pi2\le\varphi\le\frac\pi2. 0 ≤ ρ ≤ 2 r cos φ , − 2 π ≤ φ ≤ 2 π .
この底面の各点で、共通部分は 0 ≤ z ≤ 4 r 2 − ρ 2 0\le z\le\sqrt{4r^2-\rho^2} 0 ≤ z ≤ 4 r 2 − ρ 2 である。したがって
V = ∫ − π / 2 π / 2 ∫ 0 2 r cos φ ρ 4 r 2 − ρ 2 d ρ d φ = 8 r 3 3 ∫ − π / 2 π / 2 ( 1 − ∣ sin φ ∣ 3 ) d φ = 8 r 3 3 ( π − 2 ⋅ 2 3 ) = 8 r 3 9 ( 3 π − 4 ) . \begin{aligned}
V&=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\int_0^{2r\cos\varphi}
\rho\sqrt{4r^2-\rho^2}\,d\rho\,d\varphi\\
&=\frac{8r^3}{3}\int_{-\pi/2}^{\pi/2}
\left(1-|\sin\varphi|^3\right)d\varphi\\
&=\frac{8r^3}{3}\left(\pi-2\cdot\frac23\right)
=\boxed{\frac{8r^3}{9}(3\pi-4)}.
\end{aligned} V = ∫ − π /2 π /2 ∫ 0 2 r c o s φ ρ 4 r 2 − ρ 2 d ρ d φ = 3 8 r 3 ∫ − π /2 π /2 ( 1 − ∣ sin φ ∣ 3 ) d φ = 3 8 r 3 ( π − 2 ⋅ 3 2 ) = 9 8 r 3 ( 3 π − 4 ) .