東京大学理系 2024 年・第 5 問

座標空間内に , , をとり, を線分 の中点とする。三角形 の周および内部を 軸のまわりに 回転させて得られる立体の体積を求めよ。

三角形は 1 枚の平面の上

, , はどれも を満たします。 の中点 ですから、これも同じ平面の上です。

そこで三角形の点を と書きます。 の内部と周は、 の 3 つで表せます。

確かめてみます。 で、 を結ぶ辺になります。

のまわりに回すので、 を止めて切った断面を見ていきます。 と置くと、切り口では です。

切り口は線分

ですから、切り口は を動かした線分です。 より より となります。

つまり から まで動くと から まで動き、切り口の長さもそれにつれて変わります。

軸からの距離は です。2 乗すると で、 の 2 次式になります。

この 2 次式は で最小 、両端へ行くほど大きくなります。回したときの内側の縁と外側の縁が、この最小と最大です。

回すと輪になる

線分を軸のまわりに回すと、いちばん近い点といちばん遠い点のあいだが埋まって、輪(ドーナツの切り口)になります。外側の半径を 、内側の半径を と書けば、面積は です。

の上限が 以上なら、最小の に届きます。これは のときです。最大は ですから、面積は となります。

では上限 より手前で切れるので、最小は端の値 です。面積は です。

では両方の式が になり、つながっています。(点 のところ)では です。

積分して

で積分するかわりに で積分します。向きが逆になるだけで、 から まで動きます。

前半は です。

後半は です。

たして 。これが求める体積です。

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