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北海道大学 1988年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第4問

関数 f(x)f(x)=02t2(tx)dtで定める。

(1) x0 のとき、f(x) を求めよ。

(2) 次の定積分を求めよ。03f(x)dx

難易度5/ 10計算量5/ 10目安25

積分関数 絶対値の処理、場合分け、定積分評価

方針

t20 なので符号は tx だけで決まる。0x2 では t=x で積分を分け、x2 では全区間で符号を反転する。(2) は x=2 で区切る。

解答

(1)
0x2 ではf(x)=0xt2(xt)dt+x2t2(tx)dt=x412+(48x3+x412)=x468x3+4.x2 では全ての 0t2 に対して tx0 だからf(x)=02t2(xt)dt=8x34.したがってf(x)={x468x3+4(0x2),8x34(x2).両式は x=2 でともに 4/3 となる。

(2) 03f(x)dx=02(x468x3+4)dx+23(8x34)dx=5615+83=325.

別解

解法2:微分と積分順序の交換を使う

方針

(1) は絶対値を含む積分を x で微分し、初期値から f を復元する。(2) は二重積分として x,t の順序を交換し、内側の 03txdx を先に求める。

解答

(1)
0<x<2 ではf(x)=0xt2dtx2t2dt=2x3383.またf(0)=02t3dt=4.したがってf(x)=4+0x(2u3383)du=x468x3+4.x>2 では常に xt>0 なのでf(x)=02t2dt=83.f(2)=4/3 を用いればf(x)=43+83(x2)=8x34.(2)
積分領域は長方形0x3,0t2なので、積分の順序を交換して03f(x)dx=02t2{03txdx}dt.0t2 では03txdx=0t(tx)dx+t3(xt)dx=t22+(3t)22.よって03f(x)dx=1202t2{t2+(3t)2}dt=[t553t44+3t32]02=325.

総評

難度5、計算量5。絶対値の符号が t=x で変わることと、x が積分区間内か外かを整理する問題で、想定時間は25分程度。x=2 で2式が一致することが有効な検算になる。直接積分と、微分・積分順序交換を用いる独立な方法で 32/5 を確認した。

冊子PDFで見る北大の積分の問題で問題集を作る

出典: 北海道大学 1988年度 前期 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。