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京都大学 2024年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第5問

関数y=x24x+5のグラフのx>1の部分をCとする.
このとき,下の条件を満たすような正の実数a,bについて,
座標平面の点(a,b)が動く領域の面積を求めよ.

Cと直線y=ax+bは二つの異なる共有点を持つ.」

難易度6/ 10計算量6/ 10目安24

図形と方程式積分 判別式面積計算、場合分け

方針

曲線はx>1の部分だけなので,u=x1>0に置き換える。放物線と直線の共有点条件は,uについての2次方程式が異なる2つの正の解をもつ条件になる。和・積・判別式から,a,bの不等式を得る。a,bは正なので,0<a<20<b<2aの三角形から,判別式が正になる下側境界b>12aa2/4を考えればよい。この下側境界が正か負かで積分区間を分けて面積を求める。

解答

曲線Cy=x24x+5x>1の部分である。そこで u=x1 とおくと,x>1u>0であり,x24x+5=(u+1)24(u+1)+5=u22u+2 である。また直線は y=ax+b=a(u+1)+b=au+a+b である。共有点のu座標は u22u+2=au+a+b すなわち u2(a+2)u+(2ab)=0 を満たす。

Cと直線がx>1で異なる2つの共有点をもつことは,この2次方程式が異なる2つの正の解をもつことと同値である。2つの解をu1,u2とすると,u1+u2=a+2>0a>0より自動的に成り立つ。正の2解をもつためには,さらに u1u2=2ab>0 と,判別式が正であることが必要十分である。

したがって 2ab>0 より 0<a<2,0<b<2a である。また判別式について (a+2)24(2ab)>0 であり,整理すると b>12a14a2 となる。

よって求める領域は 0<a<2,0<b<2a,b>12a14a2 で表される。ここで下側の境界 12a14a2 が正になる範囲を調べる。方程式 12a14a2=0a2+8a4=0 と同値であり,正の解は a=254 である。したがって,0<a<254では下側境界がこの曲線になり,254<a<2では下側境界はb=0になる。

よって面積SS=0254{(2a)(12a14a2)}da+2542(2a)daである。すなわちS=0254(1+a+14a2)da+2542(2a)daとなる。計算するとS=[a+a22+a312]0254+[2aa22]2542=502053である。

橙色の曲線はb=12a14a2,青色の直線はb=2a

総評

交点のx>1という制約を正の2解条件へ移し,(a,b)平面の面積を求める問題。目安時間は24分。u=x1>0とおくと,積が正,解の和が正,判別式が正という条件に整理できる。上境界b=2aと,下境界b=max{0,12aa2/4}を図示し,切替点a=254で積分を分ける。

公式出題意図との対応:公式は二次方程式の解の判別から領域を正しく表し,数学IIの積分を実行できるかを問うとしている。解答では正の異なる2解の必要十分条件と領域図を対応させた。

出典確認:公式問題PDF第3ページの文系第5問と原寸照合済み。公式資料は出題意図のみである。公式URLの保存版を用いた。

独立検算:判別式条件を再展開し,境界の交点a=254を確認した。領域を数値積分した値は約1.75955で,(50205)/3と一致する。

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出典: 京都大学 令和6年度一般選抜 数学(文系) 公式問題・出題意図等(大学公式の問題PDF(3ページ))。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。