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1954年(昭和29年)東京大学-数学(解析II)[3]

[3] 右の図で曲線 \rm ACBy 軸に関して対称で,点 \rm A\rm Bx 軸に接し,かつ x の4次の整式のグラフとなっている.

(i) 曲線 \rm ACB の方程式を求めよ.

(ii) 曲線 \rm ACB x 軸で囲まれる部分y 軸のまわりに回転するときできる立体の体積を求めよ.(赤字部分は筆者が追加)

2020.09.24記
問題文は「曲線を回転させてできる立体の体積」とあったが,これだと曲面の体積となっておかしいので,
「曲線と x 軸で囲まれる部分」を回転させてできる体積というように問題文を修正しておく.

当時はバームクーヘンが知られていなかったので

[解答]
(i) 曲線 \rm ACB は点 \rm A\rm Bx 軸に接するので y=C(x+a)^2(x-a)^2 とおくことができ,[\mbox{C}(0,2a)] を通ることから
y=\dfrac{2}{a^3}(x+a)^2(x-a)^2
となる.

(ii) 求める体積は
\displaystyle\int_0^{2a} \pi x^2 dy\displaystyle=\int_0^{2a} \pi \Bigl(a^2-\sqrt{\dfrac{a^3y}{2}}\Bigr) dy=\pi\Bigl[a^2y-\dfrac{2}{3}\sqrt{\dfrac{a^3}{2}} y^{3/2}\Bigr]_0^a=\dfrac{2\pi a^3}{3}
である.

バームクーヘン積分を用いると次のようになる.

[別解]
(ii) 求める体積は
\displaystyle\int_0^{a} 2\pi x \cdot\dfrac{2}{a^3}(x^4-2a^2x^2+a^4) dx\displaystyle=\dfrac{4\pi}{a^3} \Bigl[\dfrac{x^6}{6}-\dfrac{a^2}{2}x^4+\dfrac{a^4}{2}x^2\Bigr]_0^{a}\displaystyle=\dfrac{2\pi a^3}{3}
となる.




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