Evolton

広島大学 2017年度 前期理系数学 第2問

a>0とする.次の問いに答えよ.
(1) 関数f(t)=t32at+1の区間t0における最小値を,aを用いて表せ.
(2) (1)で求めた最小値が0となるときのaの値をAとおく.A3を求めよ.
(3) 座標平面上の曲線y=x4C1,点(0,a)を中心とする半径aの円をC2とする.C1C2の共有点の個数を調べよ.
(4) 座標平面において,点Pが曲線y=x4上を動くときの点Pと点(0,a)の距離の最小値を考える.その最小値がaに等しくなるようなaの値の範囲を求めよ.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安20

関数微分図形と方程式 微分による最大最小グラフの概形、パラメータ処理

方針

(1)f(t)=3t22aからt0での最小値を求める。(3)では円と曲線の交点条件をu=x2に直し,(1)の三次式f(u)の正の解の個数に帰着する。(4)も距離の二乗をa2+uf(u)と表し,f(u)0となる条件を使う。

解答

(1) f(t)=3t22aである。t0では,f(t)0t<2a3で減少し,t>2a3で増加する。よって最小値はt=2a3でとり,f(2a3)=14a32a3である。

(2)
(1)の最小値が0であるから1=4A32A3である。両辺を二乗して1=16A292A3=32A327となる。したがってA3=2732である。

(3)
C2の方程式はx2+(ya)2=a2である。y=x4を代入するとx2+(x4a)2=a2すなわちx2(x62ax2+1)=0である。u=x2とおくと,x=0の共有点(0,0)のほかに,u>0u32au+1=0を満たすものを調べればよい。これは(1)のf(u)=0である。A=27323とおく。(1),(2)より,0<a<Aではf(u)>0となり正の解はない。a=Aでは正の重解を一つもつ。a>Aでは正の解を二つもつ。よって共有点の個数は{1(0<a<A),3(a=A),5(a>A)である。

(4)
P=(x,x4)とし,u=x20とおく。点(0,a)との距離の二乗はx2+(x4a)2=a2+u(u32au+1)=a2+uf(u)である。x=0のとき距離はaであるから,最小値がaに等しいための条件は,すべてのu0uf(u)0となることである。これはu>0f(u)0となることと同値であり,(1),(2)より0<a27323である。

別解

解法2

方針

円との共有点と距離を同じ式 F(u)=u32au+1 の符号問題へ統一し,接する境界を F=F=0 から求める。

解答

(1) F(u)=3u22a より最小点は u=2a/3,最小値は14a32a3.(2) 境界 F=F=0 を満たす AA3=2732.(3) 円と y=x4 の共有点はx2F(x2)=0.A=(27/32)1/3 とすると,正の根は a<A で0個,a=A で1個,a>A で2個。各正根から ±x が出るので共有点数は順に1, 3, 5.(4) 距離の二乗は a2+uF(u)。これが常に a2 以上となる条件は F(u)0 (u>0) だから0<a27323.

総評

難度6,計算量6。想定時間は20分程度。(1)の最小値を以後の共有点個数と距離最小に使い回す誘導型の問題である。u=x2への置換で正の解の個数を整理すること,x=0の共有点を数え落とさないことが重要である。

冊子PDFで見る広大の関数の問題で問題集を作る

出典: 広島大学 2017年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。