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東京大学 工学系研究科 2013年8月実施 数学 第4問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

I. 直線 Lv(u)=(ucosv,usinv,v)L_v(u)=(u\cos v,u\sin v,v) において vv を連続的に変化させると、常螺面 S(u,v)=Lv(u)S(u,v)=L_v(u) を得る。点 S(u,v)S(u,v) における法線ベクトルを求めよ。

II. 1u1,0v2π-1\le u\le1,0\le v\le2\pi に対応する部分の面積を求めよ。u=sinhtu=\sinh t と置換してよい。

III. R(v)=S(1,v)=(cosv,sinv,v)R(v)=S(1,v)=(\cos v,\sin v,v) とする。点 R(v)R(v) における接線を、Tv(0)=R(v)T_v(0)=R(v) を満たす媒介変数表示 Tv(w)T_v(w) で表せ。

IV. 曲面 D(v,w)=Tv(w)D(v,w)=T_v(w) を考える。(1) w0w\ne0 のときの法線ベクトルを求めよ。 (2) 任意の w1,w20w_1,w_2\ne0 と同一の vv に対し、二点の法線ベクトルが平行であることを示せ。

常螺面

题目描述

I. 直线 Lv(u)=(ucosv,usinv,v)L_v(u)=(u\cos v,u\sin v,v) 扫过常螺面 S(u,v)=Lv(u)S(u,v)=L_v(u)。求 SS(u,v)(u,v) 处的法向量。

II. 求 1u1, 0v2π-1\le u\le1,\ 0\le v\le2\pi 对应曲面的面积。可用代换 u=sinhtu=\sinh t

III. 令 R(v)=S(1,v)=(cosv,sinv,v)R(v)=S(1,v)=(\cos v,\sin v,v)。求经过 R(v)R(v)、满足 Tv(0)=R(v)T_v(0)=R(v) 的切线参数式 Tv(w)T_v(w)

IV. 令 D(v,w)=Tv(w)D(v,w)=T_v(w)。(1) 当 w0w\ne0 时求曲面的法向量;(2) 证明固定 vv 时,任意非零 w1,w2w_1,w_2 处的法向量平行。

Kai

I–II

Su=(cosv,sinv,0),Sv=(usinv,ucosv,1),S_u=(\cos v,\sin v,0),\qquad S_v=(-u\sin v,u\cos v,1),

従って法線ベクトルは Su×Sv=(sinv,cosv,u)\boxed{S_u\times S_v=(\sin v,-\cos v,u)} と取れ、長さは 1+u2\sqrt{1+u^2} である。 面積は

02π111+u2dudv=2π(2+log(1+2)).\boxed{\int_0^{2\pi}\int_{-1}^1\sqrt{1+u^2}\,du\,dv =2\pi\left(\sqrt2+\log(1+\sqrt2)\right)}.

III

R(v)=(sinv,cosv,1)R'(v)=(-\sin v,\cos v,1) より、

Tv(w)=(cosvwsinv, sinv+wcosv, v+w).\boxed{T_v(w)=(\cos v-w\sin v,\ \sin v+w\cos v,\ v+w)}.

IV

Dv=(sinvwcosv,cosvwsinv,1),Dw=(sinv,cosv,1).D_v=(-\sin v-w\cos v,\cos v-w\sin v,1),\quad D_w=(-\sin v,\cos v,1).

従って、

Dv×Dw=w(sinv,cosv,1).\boxed{D_v\times D_w=w(-\sin v,\cos v,-1)}.

w0w\ne0 では非零である。vv を固定すると非零の実数倍だけが変わるので、二つの法線ベクトルは平行である。