跳到主要内容

東京大学 工学系研究科 2022年8月実施 数学 第4問

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

三次元直交座標系において、領域 VV を

x2+y2−z2≥0,x2+y2+2x≤0x^2+y^2-z^2\ge0,\qquad x^2+y^2+2x\le0

で定義する。

I. VV の z=1z=1 における断面形状を図示せよ。

II. VV の表面積を求めよ。

题目描述​

在三维直角坐标系中,区域 VV 由

x2+y2−z2≥0,x2+y2+2x≤0x^2+y^2-z^2\ge0,\qquad x^2+y^2+2x\le0

定义。

I. 画出 VV 在 z=1z=1 平面上的截面。

II. 求 VV 的表面积。

Kai​

I​

z=1z=1 を代入すると、断面は

x2+y2≥1,(x+1)2+y2≤1.\boxed{x^2+y^2\ge1,\qquad(x+1)^2+y^2\le1}.

すなわち、円 (x+1)2+y2=1(x+1)^2+y^2=1 の内部かつ単位円の外部にある三日月形の領域であり、境界も含む。二円の交点は (−1/2,±3/2)(-1/2,\pm\sqrt3/2) である。

z=1の断面、網掛け部分が領域

II​

D={(x,y):(x+1)2+y2≤1}D=\{(x,y):(x+1)^2+y^2\le1\} とおくと、領域は

(x,y)∈D,−x2+y2≤z≤x2+y2. (x,y)\in D,\qquad-\sqrt{x^2+y^2}\le z\le\sqrt{x^2+y^2}.

と表せる。上下の円錐面 z=±x2+y2z=\pm\sqrt{x^2+y^2} の面積要素はともに 2 dx dy\sqrt2\,dx\,dy なので、その面積の和は

S1=22 Area⁡(D)=22π.S_1=2\sqrt2\,\operatorname{Area}(D)=2\sqrt2\pi.

円柱の側面を x=−1+cos⁡ϕ,y=sin⁡ϕx=-1+\cos\phi,y=\sin\phi(0≤ϕ≤2π0\le\phi\le2\pi)と表すと、円周の弧長要素は dϕd\phi、上下の高さの差は 4sin⁡(ϕ/2)4\sin(\phi/2) である。したがって

S2=∫02π4sin⁡ϕ2 dϕ=16.S_2=\int_0^{2\pi}4\sin\frac\phi2\,d\phi=16.

よって表面積は

S=16+22π.\boxed{S=16+2\sqrt2\pi}.