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広島大学 2022年度 前期文系数学 第4問

実数aに対して,座標平面上の点(a,0)を通る傾き4aの直線をLaとする.aが実数全体を動くとき,直線Laが通り得る点全体からなる領域をSとする.また,2P(0,1)Q(0,2)に対し,2APAQを満たす点A全体からなる領域をTとする.このとき,次の問いに答えよ.
(1) 領域Sを図示せよ.
(2) 領域Tを図示せよ.
(3) STの共通部分の面積を求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安18

図形と方程式積分 軌跡座標設定面積計算、範囲評価

方針

(x,y)があるLa上にある条件をaについて平方完成し,領域Sを求める。領域Tは距離の不等式を座標で展開する。共通部分は円から放物線より上の部分を引いて面積を出す。

解答

(1)
直線Laの方程式はy=4a(xa)=4ax4a2である。点(x,y)があるLa上にあるためには,ある実数aについてy=x24(ax2)2と表せればよい。したがってyx2である。よって領域Sは放物線y=x2上およびその下側である。

(2)
A(x,y)とおくと,2{x2+(y1)2}x2+(y2)2である。整理するとx2+y22となる。よって領域Tは原点中心,半径2の円の内部および周である。

(3)
放物線y=x2と円x2+y2=2の交点はx2+x4=2より(x,y)=(1,1), (1,1)である。求める面積は,円の面積から,1x1で放物線より上にある部分の面積を引いたものである。したがって2π11(2x2x2)dxである。ここで112x2dx=2(12+π4)=1+π2であり,11x2dx=23である。よって求める面積は2π(1+π223)=3π213である。

別解

解法2(判別式で直線族の通過領域を求める方法)

方針

(x,y) を通る直線 La が存在する条件を、a の2次方程式の
実数解条件へ言い換える。領域 T は距離の条件を展開し、共通部分の
面積は円全体から「円内かつ放物線より上」の部分を除いて求める。

解答

(1)
(x,y) を通る La が存在する条件は、a の方程式4a24xa+y=0が実数解をもつことである。判別式より16(x2y)0S={(x,y)yx2}.(2)
A=(x,y) とおくと2{x2+(y1)2}x2+(y2)2T={(x,y)x2+y22}.(3)
円と放物線の交点はx2+x4=2(x,y)=(1,1), (1,1).求める領域は図のように円板から
1x1 にある放物線上側の部分を除いたものである。

半径 2、中心角 π/2 の扇形を使えば面積=2π11(2x2x2)dx=2π(1+π223)=3π213.

総評

難度6,計算量5。想定時間は18分程度。Sを包絡線ではなく,点が通り得る条件として平方完成するのが重要である。面積では円全体から上側の小部分を引くと計算が短く,交点が(±1,1)であることを先に確認すると範囲を誤りにくい。 広島大学公式の問題・出題意図と独立解答を照合し、結論・設問番号・論理の流れを再確認した。

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出典: 広島大学 2022年度 前期 文系数学 第4問(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。