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Calculus · real student question

平面 z = -2x + 4y + 1 のうち、領域 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 5 の上にある部分の表面積を求めよ。厳密な値で答えよ。

Question

平面 z=−2x+4y+1z=-2x+4y+1 のうち、領域 {(x,y)∣0≤x≤3, 0≤y≤5}\{(x,y)\mid 0\le x\le 3,\ 0\le y\le 5\} の上にある部分の表面積を求めよ。厳密な値で答えよ。

Step-by-step solution

  1. 表面積の公式を思い出す。 領域 RR 上のグラフ z=f(x,y)z=f(x,y) に対して S=∬R1+fx 2+fy 2 dA.S=\iint_R\sqrt{1+f_x^{\,2}+f_y^{\,2}}\,dA. である。

  2. 平面を偏微分する。 f(x,y)=−2x+4y+1f(x,y)=-2x+4y+1 なので、至るところで fx=−2f_x=-2、fy=4f_y=4 である。ff が 1 次式なのでこれらは定数になり、それが積分を自明にしている。

  3. 被積分関数を計算する。 1+(−2)2+42=1+4+16=21.\sqrt{1+(-2)^2+4^2}=\sqrt{1+4+16}=\sqrt{21}. 2 乗してしまえば fxf_x の符号は関係なくなる点に注意する。

  4. 定数を外に出す。 S=∬R21 dA=21∬RdA=21⋅area⁡(R).S=\iint_R\sqrt{21}\,dA=\sqrt{21}\iint_R dA=\sqrt{21}\cdot\operatorname{area}(R).

  5. 底面の面積を求めて仕上げる。 長方形の面積は 3×5=153\times 5=15 なので S=1521≈68.7386.S=15\sqrt{21}\approx 68.7386. となる。幾何的には、21\sqrt{21} は傾いた平面が水平方向の面積を引き伸ばす一定の倍率である。

Answer

152115\sqrt{21}

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