東邦大学/2023年度/一般

9東邦大学 2023年 数学 第9問解答・解説

積分法平面上の曲線と複素数平面

1問題

東邦大学2023年度第9問
共通指示:問題は1から10までの10問です。解答は解答用マークシートに記入してください。問題の文中の アイ\text{アイ}、ウエオ\text{ウエオ} などには、符号 (-)、または数字 (0∼9)(0\sim9) が入ります。ア、イ、ウ、…の一つひとつは、これらのいずれか一つに対応します。それらを解答用マークシートのア、イ、ウ、…で示された解答欄にマークして答えなさい。分数形で解答する場合は、それ以上約分できない形で答えなさい。また、符号は分子につけ、分母につけてはいけません。根号を含む形で解答する場合は、根号の中に現れる自然数が最小となる形で答えなさい。
9 座標空間において、不等式 103(x+y+z−7)≧x2+y22+z23−7\frac{10}{3}(x+y+z-7)\geqq x^{2}+\frac{y^{2}}{2}+\frac{z^{2}}{3}-7 の表す立体を EE とする。EE と平面 z=tz=t が交わるような定数 tt のとり得る値の範囲は カ≦t≦キ\boxed{\text{カ}}\leqq t\leqq\boxed{\text{キ}} である。また、EE の体積は クケコπ\dfrac{\boxed{\text{ク}}\sqrt{\boxed{\text{ケ}}}}{\boxed{\text{コ}}}\pi である。

まずは自分で解いてみましょう。解けたら「答え」、詰まったら「解答」で確かめられます。

タイマー

15:00

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • 4≦t≦64\leqq t\leqq6、体積は 429π\dfrac{4\sqrt{2}}{9}\pi。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

解答

与えられた不等式を整理し平方完成すると
(x−53)2+12(y−103)2+13(z−5)2≦13.\left(x-\dfrac{5}{3}\right)^{2}+\dfrac{1}{2}\left(y-\dfrac{10}{3}\right)^{2}+\dfrac{1}{3}(z-5)^{2}\leqq\dfrac{1}{3}.
したがって zz 座標の中心は 55、半径は 11 であり、平面 z=tz=t が立体と交わる範囲は 4≦t≦64\leqq t\leqq6。

u=z−5u=z-5 とすると、−1≦u≦1-1\leqq u\leqq1 における水平断面は
3(x−53)2+32(y−103)2≦1−u23\left(x-\dfrac{5}{3}\right)^{2}+\dfrac{3}{2}\left(y-\dfrac{10}{3}\right)^{2}\leqq1-u^{2}
である。これは半軸がそれぞれ 1−u23\sqrt{\dfrac{1-u^{2}}{3}}、2(1−u2)3\sqrt{\dfrac{2(1-u^{2})}{3}} の楕円なので、断面積は
S(u)=23π(1−u2).S(u)=\dfrac{\sqrt{2}}{3}\pi(1-u^{2}).
従って断面積を積分して体積 VV を求めると
V=∫−11S(u) du=2π3[u−u33]−11=429π.V=\displaystyle\int_{-1}^{1}S(u)\,du=\dfrac{\sqrt{2}\pi}{3}\left[u-\dfrac{u^{3}}{3}\right]_{-1}^{1}=\dfrac{4\sqrt{2}}{9}\pi.

読み終えたら解答を閉じて、もう一度自分の手で解いてみましょう。

この問題で使う考え方

  • 定積分による体積
  • 楕円

答えと解答は AI で作成したものです。誤りに気づいたらお問い合わせから教えてください。

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