方針
交点方程式をと因数分解する。面積は共有点の順序で場合分けし,とおいて二つの部分の面積差を計算する。
解答
(1)
の方程式はである。交点の座標はすなわちを満たす。なら共有点は1個,なら通常3個である。ただしではが重なり,またではが重なる。したがって共有点がちょうど二つであるのはである。
(2)
のとき,は軸であり,囲まれた部分はにある。面積はである。
のとき,で直線が曲線の上にあるから,面積はである。
(3)
共有点がちょうど三つであるから,である。とおく。
まずのとき,共有点の順序はである。二つの部分の面積差の絶対値はであり,これはからより小さい。したがって条件を満たさない。
次にのとき,共有点の順序はである。二つの部分の面積差の絶対値はである。これがに等しいのでとなり,である。よってである。
別解
解法2(二つの面積の差を符号付き積分で求める方法)
方針
曲線と直線の差を と因数分解する。
(3)では二つの面積を別々に積分せず、外側の2交点の間の符号付き積分が
二つの面積の差になることを利用する。
解答
(1)
曲線 の高さから直線 の高さを引くと では実根が1個、 では の3根をもつ。ただし重根が生じる
では共有点がちょうど2個になる。よって(2)
では では(3) とおく。共有点が3個だから かつ である。
二つの部分の面積を とすると、符号が交点ごとに変わるのでただし は外側の2交点である。
まず では外側の交点は であり、ここでよって であり、条件を満たさない。
次に では外側の交点は である。奇関数部分が消えるのでこれが に等しいから
総評
難度7,計算量7。想定時間は25分程度。交点方程式の因数分解は容易だが,(3)では共有点の順序がとで変わる。面積差は符号つき積分を整理してから絶対値を取ると見通しがよい。 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。