重要知識と着眼点
(1)断面図で半径と高さの関係を作る
円柱の軸を含む平面で切ると、半径1の円に、横 、縦 の長方形が内接しています。 中心から長方形の頂点までの距離が なので、三平方の定理から が得られます。
球と円柱の関係を、断面の直角三角形に置き換えます。
関数の最大・最小の求め方
定義域を確認し、微分して増減を調べる。極値や区間の端の値を調べ、最大・最小を判断する。 2次関数は平方完成してグラフを描いても求められる。
体積は です。 を代入すると、 だけの3次式になり、微分で最大値を求められます。 円柱の高さと半径は正です。 と から、範囲は となります。
(2)側面積を2乗して平方完成する
円柱の側面を切り開くと、横が底面の円周 、縦が高さ の長方形になります。 したがって側面積は です。
(1)と同じように を消したいのですが、 を代入すると根号が残ります。 そこで を2乗すれば、 をそのまま使えます。 なので、 が最大になるときと が最大になるときは同じです。
は、 を一つの文字とみれば2次式です。 と平方完成して、最大になる条件を調べましょう。 体積が最大になる円柱と、側面積が最大になる円柱は同じとは限らないので、(1)の値をそのまま使わないことが大切です。
解答
(1)
軸を含む断面に三平方の定理を用いると、
したがって、 において、
で微分すると、
| ↗ | ↘ |
表の端の は、円柱がつぶれるときの極限値を表す。 よって、 のとき体積が最大となる。 このとき、
セは 、ソは 、タは 、チは 、ツは 、テは 、トは 、ナは 、ニは 、ヌは 。
(2)
側面積を とすると、。 を用いて、
等号が成り立つのは のときである。 より であり、このとき
なので、 のとき側面積は最大値 をとる。
ネは 、ノは 、ハは 、ヒは 。
講評
図形の条件を1変数の式に直し、最大値を求める典型問題です。 難易度はB、目標時間は15分です。
最初に断面図を描き、直角三角形の縦の辺が ではなく であることを押さえましょう。 ここを誤ると、後の式がすべて変わってしまいます。
(1)は微分、(2)は側面積を2乗して平方完成する方針です。 根号を含む式でも、2乗すれば扱いやすくなることがあります。 求める量が変わったときは、最大となる条件も改めて調べてください。 側面積に上下の底面を加えてしまうことや、最大値だけを書いて を求め忘れることにも注意が必要です。


問題データ