方針
接線は微分係数から求め,共有点は三次方程式の重解を利用する。内積が直線上で一定になる条件は,直線のパラメータの係数が になること。最後は として内積を の関数に直し,微分で最大値を求める。
解答
(1)
を とおくとである。したがって における接線の傾きは であり,すなわちである。
(2)
と の共有点はを満たす。整理するとである。 と異なる共有点は の点であるからである。
(3)
が直線 上にあるとき, である。 とするとである。これが の位置によらず一定であるためには ,すなわち が必要十分である。さらに , よりである。
(4)
とおくと, である。(3)の に対してである。分子を とするとであるから, において は で増加し, で減少する。よって最大は で,である。
別解
解法2
方針
(3) を係数比較ではなく、内積の幾何的意味から処理する。内積が直線上で一定であることは が直線 の方向ベクトルに垂直であることと同値なので、正の成分をもつ単位法線ベクトルとして を決める。
解答
(1)
曲線を とおくとしたがって における傾きは でありよって(2)
共有点の 座標はを満たす。整理すると は接点 なので、もう一つの共有点は である。接線へ代入して(3)
直線 の方向ベクトルとしてをとる。点 が直線上を動くときと書けるのでこれが によらず一定であるための必要十分条件はしたがって は に垂直で、両成分が正の単位ベクトルだからよって(4)
とおくと、 から まででは内積は分子を とおくとしたがって区間内では で最大になりよって最大値は
総評
難度5,計算量5。想定時間は15分程度。接線,共有点,内積一定条件,最大値計算が順に並ぶ標準的な総合問題である。直線上で一定になる条件を係数比較で処理し,最後は区間端と極値を含めて最大を確認することが重要である。 別解では内積一定条件を「直線の方向と単位法線」という幾何に読み替え、曲線・接線・法線方向を図で対応づけた。