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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 SS

(x(θ,ϕ)y(θ,ϕ)z(θ,ϕ))=(cosθsinθ0sinθcosθ0001)(cosϕ+20sinϕ),0θ,ϕ<2π\begin{pmatrix}x(\theta,\phi)\\y(\theta,\phi)\\z(\theta,\phi)\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta&0\\\sin\theta&\cos\theta&0\\0&0&1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}\cos\phi+2\\0\\\sin\phi\end{pmatrix},\qquad0\le\theta,\phi<2\pi

で定義する。SS で囲まれた領域を VV、不等式 x2+y24x^2+y^2\le4 を満たす領域を WW とする。

I. SS 上の点 P=(1/2,1/2,0)TP=(1/\sqrt2,1/\sqrt2,0)^T における、VV の内側を向く単位法線ベクトルを求めよ。

II. SS のうち WW に含まれる部分の面積を求めよ。

III. VVWW の共通部分の体積を求めよ。

IV. θ=ϕ\theta=\phi として定義される SS 上の空間曲線を CC とする。CC 上の点 Q=(0,2,1)TQ=(0,2,1)^T における曲率を求めよ。必要ならば

κ(t)=c(t)×c(t)c(t)3\kappa(t)=\frac{|\boldsymbol c'(t)\times\boldsymbol c''(t)|}{|\boldsymbol c'(t)|^3}

を用いてよい。

题目描述

三维直角坐标系中的曲面 SS 定义为

(x(θ,ϕ)y(θ,ϕ)z(θ,ϕ))=(cosθsinθ0sinθcosθ0001)(cosϕ+20sinϕ),\begin{pmatrix}x(\theta,\phi)\\y(\theta,\phi)\\z(\theta,\phi)\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta&0\\\sin\theta&\cos\theta&0\\0&0&1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}\cos\phi+2\\0\\\sin\phi\end{pmatrix},

其中 0θ,ϕ<2π0\le\theta,\phi<2\pi。设 VVSS 围成的区域,W={(x,y,z):x2+y24}W=\{(x,y,z):x^2+y^2\le4\}

I. 在 SS 上点 P=(1/2,1/2,0)TP=(1/\sqrt2,1/\sqrt2,0)^T 处,求朝向 VV 内部的单位法向量。

II. 求 SS 中包含于 WW 的部分的面积。

III. 求 VWV\cap W 的体积。

IV. 令 θ=ϕ\theta=\phi,得到 SS 上的空间曲线 CC。求 CC 上点 Q=(0,2,1)TQ=(0,2,1)^T 处的曲率。可使用

κ(t)=c(t)×c(t)c(t)3.\kappa(t)=\frac{|\boldsymbol c'(t)\times\boldsymbol c''(t)|}{|\boldsymbol c'(t)|^3}.

Kai

I

媒介変数表示を展開すると、

r=((2+cosϕ)cosθ,(2+cosϕ)sinθ,sinϕ).\boldsymbol r=((2+\cos\phi)\cos\theta,(2+\cos\phi)\sin\theta,\sin\phi).

外向き単位法線ベクトルは (cosϕcosθ,cosϕsinθ,sinϕ)(\cos\phi\cos\theta,\cos\phi\sin\theta,\sin\phi) である。点 PPθ=π/4,ϕ=π\theta=\pi/4,\phi=\pi に対応するので、内向き単位法線は

n=(12,12,0).\boxed{\boldsymbol n=\left(\frac1{\sqrt2},\frac1{\sqrt2},0\right)}.

II

SS 上で x2+y24x^2+y^2\le4cosϕ0\cos\phi\le0、すなわち π/2ϕ3π/2\pi/2\le\phi\le3\pi/2 と同値である。面積要素は

dS=rθ×rϕdθdϕ=(2+cosϕ)dθdϕ.dS=|\boldsymbol r_\theta\times\boldsymbol r_\phi|\,d\theta\,d\phi=(2+\cos\phi)\,d\theta\,d\phi.

よって

SW=02ππ/23π/2(2+cosϕ)dϕdθ=4π(π1).\boxed{S_W=\int_0^{2\pi}\int_{\pi/2}^{3\pi/2}(2+\cos\phi)\,d\phi\,d\theta=4\pi(\pi-1)}.

III

円柱座標 ρ=x2+y2\rho=\sqrt{x^2+y^2} を用いると、V:(ρ2)2+z21V:(\rho-2)^2+z^2\le1W:ρ2W:\rho\le2 である。u=ρ2u=\rho-2 とおけば、

Vol(VW)=4π10(u+2)1u2du=4π(13+π2)=2π24π3.\begin{aligned} \operatorname{Vol}(V\cap W) &=4\pi\int_{-1}^0(u+2)\sqrt{1-u^2}\,du\\ &=4\pi\left(-\frac13+\frac\pi2\right) =\boxed{2\pi^2-\frac{4\pi}{3}}. \end{aligned}

IV

θ=ϕ=t\theta=\phi=t とおくと、QQt=π/2t=\pi/2 に対応する。微分すると、

c(π/2)=(2,1,0),c(π/2)=(2,2,1).\boldsymbol c'(\pi/2)=(-2,-1,0),\qquad\boldsymbol c''(\pi/2)=(2,-2,-1).

外積は (1,2,6)(1,-2,6) なので、

κ(Q)=4155.\boxed{\kappa(Q)=\frac{\sqrt{41}}{5\sqrt5}}.