東京大学理系 2022 年・第 5 問

座標空間内の点 と点 を結ぶ線分 軸のまわりに 回転させて得られる曲面を とする。 上の点 平面上の点 を満たしながら動くとき,線分 の中点 が通過しうる範囲を とする。 の体積を求めよ。

は逆さの円錐面

線分 上の点は )と書けます。高さ のところで、軸からの距離はちょうど です。

これを回すので の円錐面です。頂点が で、 の底の縁で半径 になります。

の高さを とすると、 は半径 の円の上を自由に回れます。 から までです。

平面の点で ですから、真上から見た の距離は です。 が上がるほど は縮み、 になります。

の高さで切る

の中点ですから、高さは です。これを と置くと、 から まで動きます。

高さを決めれば が決まり、 も決まります。高さごとに切って足せばよい形です。

真上から見ると の位置は の位置に の長さのベクトルを足したものです。 のまわりを回るので、足すベクトルの向きは自由です。

つまり長さ のベクトルと長さ のベクトルを、向きを自由に選んで足したものが の位置になります。

断面は輪になる

つのベクトルを足してできる長さは、向きがそろったときの から、逆を向いたときの までのすべてを取ります。

ですから高さ での断面は、内半径 、外半径 の輪です。

面積は です。 乗の差なので が消え、積だけが残ります。

を入れると、断面積は となります。

体積は

体積は です。 つに割ります。

は単位円の一部の面積で を置きかえて です。

差は で、 を掛けると になります。

です。断面は でいちばん広く では 点に潰れます。

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