方針
積分を展開してf(0),f(1)を求め、条件式を(b−a)で整理する。比r=b/aに直してr>1の根を選び、b=2aのもとでtの二次関数を平方完成する。
解答
(1) f(0)=∫abx2dx=3b3−a3=3(b−a)(a2+ab+b2)である。
(2) f(1)=∫ab(x−a)(x−b)dx=−6(b−a)3である。したがって14f(1)+f(0)=0は−37(b−a)3+3(b−a)(a2+ab+b2)=0と同値である。b>aよりb−a>0なのでa2+ab+b2=7(b−a)2である。r=abとおくと2r2−5r+2=0となる。r>1よりab=2である。
(3)
(2)より b=2a である。一般にf(t)−f(0)=−2(a+b)(b2−a2)t+ab(b−a)t2であるから、b=2aを代入してf(t)−f(0)=a3(2t2−29t)である。この二次関数の最小値は−3281a3である。これが−6に等しいのでa3=2764となり、a=34である。
別解
解法2(区間の標準化)
方針
d=b−a>0とおき、x=a+duで積分区間を0≦u≦1へ標準化する。端点からの距離の積を使ってf(1)を即座に出し、(3)ではb=2aを最初から代入して無次元化した積分を計算する。
解答
d=b−a>0とおきx=a+du(0≦u≦1)と置換する。
(1)
t=0では直接f(0)=∫abx2dx=3b3−a3=3(b−a)(a2+ab+b2).(2)
t=1のときx−a=du,x−b=d(u−1),dx=dduだからf(1)=d3∫01u(u−1)du=−6d3.条件14f(1)+f(0)=0から−37d3+3d(a2+ab+b2)=0.d>0で割り、r=b/a>1とおくと1+r+r2=7(r−1)2.すなわち2r2−5r+2=(2r−1)(r−2)=0.r>1よりab=2.(3)
b=2aなので、x=au(1≦u≦2)と置くとf(t)=a3∫12(u−t)(u−2t)du=a3∫12{u2−3tu+2t2}du=a3(37−29t+2t2).f(0)=7a3/3なのでy=f(t)−f(0)=a3(2t2−29t).平方完成するとy=2a3(t−89)2−3281a3.最小値が−6であるから−3281a3=−6,a3=2764.a>0よりa=34.このとき頂点はt=9/8で、実際に最小値をとる。
総評
難度4、計算量4、想定12分。f(1)ではx−aとx−bが区間の両端からの距離になる。比r=b/aを用いると尺度aが消え、r=1/2,2のうちb>aから2を選ぶ。展開による解法と区間標準化の解法でb/a=2、最小値−81a3/32、a=4/3が一致する。
冊子PDFで見る広大の積分の問題で問題集を作る
出典: 広島大学 2024年度 前期 文系数学(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。