円板を動かしたときの通過範囲の体積(A)
★★★☆☆☆☆(共通テスト) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: 円板を動かしたときの通過範囲の体積(B) (★★★☆☆☆☆(共通テスト))
問題
座標空間において,$xy$ 平面上の円板 $D:\ x^2+y^2\leqq 1,\ z=0$ を,$x$ 軸のまわりに $90^\circ$ 回転させる($y>0$ の部分が $z>0$ の側に向かうように回転させる).このとき,$D$ が通過する部分の体積を求めよ.
$D$ 上の点 $(x,\,y,\,0)$ は,角 $\varphi$ だけ回転すると $(x,\,y\cos\varphi,\,y\sin\varphi)\ \left(0\leqq\varphi\leqq\dfrac{\pi}{2}\right)$ に移る.
平面 $x=t\ (-1\leqq t\leqq 1)$ による切り口を考えると,$D$ の切り口は線分 $|y|\leqq\sqrt{1-t^2}$ で,これを点 $(t,\,0,\,0)$ のまわりに $90^\circ$ 回転させると,半径 $\sqrt{1-t^2}$ の四分円 2 つ($y\geqq 0,\ z\geqq 0$ の部分と $y\leqq 0,\ z\leqq 0$ の部分)が通過する部分となる(下図).その面積は
\[ S(t)=2\cdot\frac{\pi}{4}(1-t^2)=\frac{\pi}{2}(1-t^2) \]
よって
\[ V=\int_{-1}^1\frac{\pi}{2}(1-t^2)\,dt=\pi\int_0^1(1-t^2)\,dt=\frac{2}{3}\pi \]
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