東京大学 工学系研究科 2024年8月実施 数学 第4問
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
三次元直交座標系の曲面 S を
x(θ,ϕ)y(θ,ϕ)z(θ,ϕ)=cosθsinθ0−sinθcosθ0001cosϕ+20sinϕ,0≤θ,ϕ<2π
で定義する。S で囲まれた領域を V、不等式 x2+y2≤4 を満たす領域を W とする。
I. S 上の点 P=(1/2,1/2,0)T における、V の内側を向く単位法線ベクトルを求めよ。
II. S のうち W に含まれる部分の面積を求めよ。
III. V と W の共通部分の体積を求めよ。
IV. θ=ϕ として定義される S 上の空間曲線を C とする。C 上の点 Q=(0,2,1)T における曲率を求めよ。必要ならば
κ(t)=∣c′(t)∣3∣c′(t)×c′′(t)∣
を用いてよい。
题目描述
三维直角坐标系中的曲面 S 定义为
x(θ,ϕ)y(θ,ϕ)z(θ,ϕ)=cosθsinθ0−sinθcosθ0001cosϕ+20sinϕ,
其中 0≤θ,ϕ<2π。设 V 为 S 围成的区域,W={(x,y,z):x2+y2≤4}。
I. 在 S 上点 P=(1/2,1/2,0)T 处,求朝向 V 内部的单位法向量。
II. 求 S 中包含于 W 的部分的面积。
III. 求 V∩W 的体积。
IV. 令 θ=ϕ,得到 S 上的空间曲线 C。求 C 上点 Q=(0,2,1)T 处的曲率。可使用
κ(t)=∣c′(t)∣3∣c′(t)×c′′(t)∣.
Kai
媒介変数表示を展開すると、
r=((2+cosϕ)cosθ,(2+cosϕ)sinθ,sinϕ).
外向き単位法線ベクトルは (cosϕcosθ,cosϕsinθ,sinϕ) である。点 P は θ=π/4,ϕ=π に対応するので、内向き単位法線は
n=(21,21,0).
S 上で x2+y2≤4 は cosϕ≤0、すなわち π/2≤ϕ≤3π/2 と同値である。面積要素は
dS=∣rθ×rϕ∣dθdϕ=(2+cosϕ)dθdϕ.
よって
SW=∫02π∫π/23π/2(2+cosϕ)dϕdθ=4π(π−1).
III
円柱座標 ρ=x2+y2 を用いると、V:(ρ−2)2+z2≤1、W:ρ≤2 である。u=ρ−2 とおけば、
Vol(V∩W)=4π∫−10(u+2)1−u2du=4π(−31+2π)=2π2−34π.
θ=ϕ=t とおくと、Q は t=π/2 に対応する。微分すると、
c′(π/2)=(−2,−1,0),c′′(π/2)=(2,−2,−1).
外積は (1,−2,6) なので、
κ(Q)=5541.