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広島大学 2024年度 前期文系数学 第2問

実数tおよび0<a<bを満たす実数a,bに対し、f(t)=ab(xat)(xbt)dxとおく。次の問いに答えよ。

(1) f(0)abを用いて表せ。

(2) 14f(1)+f(0)=0が成り立つとする。このとき、baの値を求めよ。

(3) 14f(1)+f(0)=0が成り立つとする。tの関数y=f(t)f(0)の最小値が6となるとき、aの値を求めよ。

難易度4/ 10計算量4/ 10目安15

積分関数方程式・不等式 式変形、置換微分による最大最小、計算整理

方針

積分を展開してf(0),f(1)を求め、条件式を(ba)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=b3a33=(ba)(a2+ab+b2)3である。

(2) f(1)=ab(xa)(xb)dx=(ba)36である。したがって14f(1)+f(0)=07(ba)33+(ba)(a2+ab+b2)3=0と同値である。b>aよりba>0なのでa2+ab+b2=7(ba)2である。r=baとおくと2r25r+2=0となる。r>1よりba=2である。

(3)
(2)より b=2a である。一般にf(t)f(0)=(a+b)(b2a2)2t+ab(ba)t2であるから、b=2aを代入してf(t)f(0)=a3(2t292t)である。この二次関数の最小値は8132a3である。これが6に等しいのでa3=6427となり、a=43である。

別解

解法2(区間の標準化)

方針

d=ba>0とおき、x=a+duで積分区間を0u1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=ba>0とおきx=a+du(0u1)と置換する。

(1)
t=0では直接f(0)=abx2dx=b3a33=(ba)(a2+ab+b2)3.(2)
t=1のときxa=du,xb=d(u1),dx=dduだからf(1)=d301u(u1)du=d36.条件14f(1)+f(0)=0から7d33+d(a2+ab+b2)3=0.d>0で割り、r=b/a>1とおくと1+r+r2=7(r1)2.すなわち2r25r+2=(2r1)(r2)=0.r>1よりba=2.(3)
b=2aなので、x=au1u2)と置くとf(t)=a312(ut)(u2t)du=a312{u23tu+2t2}du=a3(7392t+2t2).f(0)=7a3/3なのでy=f(t)f(0)=a3(2t292t).平方完成するとy=2a3(t98)28132a3.最小値が6であるから8132a3=6,a3=6427.a>0よりa=43.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xaxb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81a3/32a=4/3が一致する。

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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。