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東北大学 1986年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第2問

数直線上の2つの動点P1,P2は
時刻0のとき原点にあり,時刻tにおける,それぞれの速度v1(t),v2(t)はv1(t)=4t2−6at−a2,v2(t)=t2+6at−10a2である.ただし,aは実数とする.

(1) 時刻tにおける2点P1,P2の間の距離f(t)を求めよ.

(2) 0≦t≦3におけるf(t)の最大値と,そのときのtの値を求めよ.

(3) (2)で求めた最大値を最も小さくするaの値を求めよ.

難易度8/ 10計算量7/ 10目安38分

微分、積分、関数 微分による最大最小、範囲評価、場合分け

方針

位置の差は速度差を積分して求める。初期位置が同じなので、P1 と P2 の位置差は∫0t(v1−v2)duであり、これは t(t−3a)2 になるので距離もそのまま非負で表せる。最大値は f′(t)=3(t−a)(t−3a) から候補 t=0,3,a,3a を調べるが、t=3a では値が0なので最大候補は端 t=3 と t=a である。a が区間内に入るか、さらに 4a3 と 27(a−1)2 の大小で場合分けする。最後はその最大値を a について最小にする。

解答

(1)
時刻0では2点とも原点にあるので、時刻 t における位置の差は∫0t{v1(u)−v2(u)} duである。速度差は v1(u)−v2(u)=(4u2−6au−a2)−(u2+6au−10a2) すなわち 3u2−12au+9a2=3(u−a)(u−3a) である。したがって∫0t(3u2−12au+9a2)du=t3−6at2+9a2t=t(t−3a)2である。これは常に ≧0 なので、2点間の距離は f(t)=t(t−3a)2 である。ただし問題の時刻では t≧0 を考える。

(2) f(t)=t(t−3a)2 より f′(t)=(t−3a)2+2t(t−3a)=3(t−a)(t−3a) である。端点では f(0)=0,f(3)=3(3−3a)2=27(a−1)2 である。また t=a が区間 [0,3] に入るとき、f(a)=a(a−3a)2=4a3 である。t=3a が区間に入るときは f(3a)=0 なので最大値の候補にはならない。

まず a<0 または a>3 のとき、t=a は区間に入らない。このとき最大値は端点 t=3 で 27(a−1)2 である。

次に 0≦a≦3 のときは、t=a も候補になる。そこで 4a3−27(a−1)2=(a−3)2(4a−3) を用いる。0≦a<3/4 では 4a3<27(a−1)2 なので最大値は 27(a−1)2(t=3) である。a=3/4 では両者が等しく、4a3=27(a−1)2=2716 であるから、最大値は 2716(t=34,3) である。3/4<a≦3 では 4a3≧27(a−1)2 なので最大値は 4a3(t=a) である。

以上をまとめると、最大値は{27(a−1)2(a<34 または a>3),2716(a=34),4a3(34<a≦3)である。最大値をとる時刻は、それぞれ t=3,t=34,3,t=a である。

(3) (2) の最大値を M(a) とする。a<3/4 では M(a)=27(a−1)2 であり、この範囲では a を 3/4 に近づけるほど小さくなる。したがってこの部分での最小は a=3/4 で 2716 である。 3/4≦a≦3 では M(a)=4a3 であり、これは a について増加する。したがってこの部分でも最小は a=3/4 で 4(34)3=2716 である。a>3 では 27(a−1)2 はさらに大きい。

よって最大値を最も小さくする a は a=34 である。

別解

解法2(候補値の下界を一致させる)

方針

距離を積分して t(t−3a)2 とし、端点と停留点の値を比較する。(3)では最大値が少なくとも2つの候補値以上になることを使い、その下界が一致する a を探す。

解答

(1)
位置の差は∫0t(v1(u)−v2(u)) du=t(t−3a)2≧0だからf(t)=t(t−3a)2.(2)f′(t)=3(t−a)(t−3a).[0,3] で最大値の候補となる値はf(3)=27(a−1)2と、0≦a≦3 のときのf(a)=4a3である。f(3a)=0 は最大候補でない。また4a3−27(a−1)2=(a−3)2(4a−3).よって最大値と時刻は{27(a−1)2, t=3,a<3/4 または a>3,27/16, t=3/4,3,a=3/4,4a3, t=a,3/4<a≦3.(3)
a≦3/4 ならmax⁡f(t)≧f(3)=27(a−1)2≧2716.3/4≦a≦3 ならmax⁡f(t)≧f(a)=4a3≧2716.a>3 では f(3)>108 である。したがって最大値は常に 27/16 以上で、a=3/4 のとき実際に等号となる。求める値はa=34.

総評

速度差、区間最大、パラメータの最小化を三段階で処理する問題で、目安は38分。距離がt(t−3a)2と非負になる点、停留点が区間内か、境界a=3/4で2候補が一致する点が得点の柱になる。

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出典: 東北大学 1986年度 前期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。