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【解答・解説】2026年 麻布大学 獣医学科 第Ⅱ期 数学 第2問

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半径1の球に内接する直円柱がある。直円柱の高さを hh,底面の円の半径を rr とする。

(1)直円柱の体積 VV は,hh を用いて

V=πhπh3V=\pi h-\frac{\boxed{\text{セ}}}{\boxed{\text{ソ}}}\pi h^3

と表せる。VVh=, r=h=\dfrac{\boxed{\text{タ}}\sqrt{\boxed{\text{チ}}}}{\boxed{\text{ツ}}},\ r=\dfrac{\sqrt{\boxed{\text{テ}}}}{\boxed{\text{ト}}} のとき最大値 π\dfrac{\boxed{\text{ナ}}\sqrt{\boxed{\text{ニ}}}}{\boxed{\text{ヌ}}}\pi をとる。

(2)直円柱の側面積は,h=, r=h=\sqrt{\boxed{\text{ネ}}},\ r=\dfrac{\sqrt{\boxed{\text{ノ}}}}{\boxed{\text{ハ}}} のとき最大値 π\boxed{\text{ヒ}}\pi をとる。

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 2r2r、縦 hh 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 11 なので、三平方の定理から r2+(h/2)2=1r^2+(h/2)^2=1 が得られます。

半径1の円に内接する長方形の断面図。中心から頂点までが1、横がr、縦がh/2の直角三角形を示す

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 V=πr2hV=\pi r^2h です。 r2=1h2/4r^2=1-h^2/4 を代入すると、hh 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。 r2=1h2/4>0r^2=1-h^2/4>0h>0h>0 から、範囲は 0<h<20<h<2 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 2πr2\pi r、縦が高さ hh の長方形になります。 したがって側面積は S=2πrhS=2\pi rh です。

(1)と同じように rr を消したいのですが、r=1h2/4r=\sqrt{1-h^2/4} を代入すると根号が残ります。 そこで SS を2乗すれば、r2=1h2/4r^2=1-h^2/4 をそのまま使えます。 S>0S>0 なので、SS が最大になるときと S2S^2 が最大になるときは同じです。

S2=π2(4h2h4)S^2=\pi^2(4h^2-h^4) は、h2h^2 を一つの文字とみれば2次式です。 4h2h4=4(h22)24h^2-h^4=4-(h^2-2)^2 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、

r2+(h2)2=1.r^2+\left(\frac h2\right)^2=1.

したがって、0<h<20<h<2 において、

V=πr2h=πh(1h24)=πh14πh3.V=\pi r^2h=\pi h\left(1-\frac{h^2}{4}\right) =\boxed{\pi h-\frac14\pi h^3}.

hh で微分すると、

V(h)=π(134h2).V'(h)=\pi\left(1-\frac34h^2\right).
hh 00 \cdots 23/32\sqrt3/3 \cdots 22
V(h)V'(h) ++ 00 -
V(h)V(h) (0)(0) 43π/94\sqrt3\pi/9 (0)(0)

表の端の (0)(0) は、円柱がつぶれるときの極限値を表す。 よって、h=233h=\dfrac{2\sqrt3}{3} のとき体積が最大となる。 このとき、

r=1h24=23=63,r=\sqrt{1-\frac{h^2}{4}}=\sqrt{\frac23}=\frac{\sqrt6}{3}, Vmax=π23233=439π.V_{\max}=\pi\cdot\frac23\cdot\frac{2\sqrt3}{3} =\boxed{\frac{4\sqrt3}{9}\pi}.

セは 11、ソは 44、タは 22、チは 33、ツは 33、テは 66、トは 33、ナは 44、ニは 33、ヌは 99

(2)

側面積を SS とすると、S=2πrh>0S=2\pi rh>0r2=1h2/4r^2=1-h^2/4 を用いて、

S2=4π2r2h2=π2(4h2h4)=π2{4(h22)2}4π2.\begin{aligned} S^2&=4\pi^2r^2h^2\\ &=\pi^2(4h^2-h^4)\\ &=\pi^2\{4-(h^2-2)^2\}\leqq4\pi^2. \end{aligned}

等号が成り立つのは h2=2h^2=2 のときである。 0<h<20<h<2 より h=2h=\sqrt2 であり、このとき

r=1h24=22.r=\sqrt{1-\frac{h^2}{4}}=\frac{\sqrt2}{2}.

S>0S>0 なので、h=2, r=22h=\sqrt2,\ r=\dfrac{\sqrt2}{2} のとき側面積は最大値 2π\boxed{2\pi} をとる。

ネは 22、ノは 22、ハは 22、ヒは 22

問題データ

関連分野
図形と方程式
難易度の目安
B(標準)
目標時間
15

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 hh ではなく h/2h/2 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 h,rh,r を求め忘れることにも注意が必要です。

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