空間の三角形を回転した立体(A)
★★★★☆☆☆(地方国立・MARCH) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: 空間の三角形を回転した立体(B) (★★★★☆☆☆(地方国立・MARCH))
問題
座標空間内の 3 点 $\mathrm{A}(1,\,0,\,0)$,$\mathrm{B}(0,\,1,\,0)$,$\mathrm{C}(0,\,0,\,1)$ を頂点とする三角形 ABC(内部を含む)を,$z$ 軸のまわりに 1 回転してできる立体の体積を求めよ.
平面 $z=t\ (0\leqq t\leqq 1)$ による三角形の切り口は,2 点 $(1-t,\,0,\,t)$,$(0,\,1-t,\,t)$ を結ぶ線分である.
この線分上の点は $\mathrm{Q}((1-t)(1-k),\,(1-t)k,\,t)\ (0\leqq k\leqq 1)$ と表され,Q と $z$ 軸との距離の 2 乗は
\[ (1-t)^2\{(1-k)^2+k^2\}=(1-t)^2\left\{2\left(k-\frac{1}{2}\right)^2+\frac{1}{2}\right\} \]
である.よって,この距離は両端($k=0,\ 1$)で最大値 $1-t$,中点($k=\dfrac{1}{2}$)で最小値 $\dfrac{1-t}{\sqrt{2}}$ をとる.
よって,立体の切り口は外側の半径 $1-t$,内側の半径 $\dfrac{1-t}{\sqrt{2}}$ の円環で,その面積は
\[ S(t)=\pi(1-t)^2-\pi\frac{(1-t)^2}{2}=\frac{\pi}{2}(1-t)^2 \]
したがって
\[ V=\int_0^1\frac{\pi}{2}(1-t)^2\,dt=\frac{\pi}{6} \]
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