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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5問

関数f(x)=(4x3+ax2+bx+c)e2xについて,次の問に答えよ.

(1) f(x)x=1x=0x=1で極値をもつように定数abcを定めよ.

(2) abcを(1)で定めたものとして,
曲線y=f(x)と,3つの直線x=1x=1y=0で囲まれた図形の面積を求めよ.

難易度7/ 10計算量7/ 10目安34

微分積分指数・対数 接線・法線面積計算、計算整理

方針

P(x)=4x3+ax2+bx+c とおくと、f(x)={P(x)+2P(x)}e2x である。指数部分は常に正なので、1,0,1 で極値をもつには P(x)+2P(x) がそこで0になればよい。これは先頭係数が8の3次式なので 8x(x21) と一致させ、係数比較で a,b,c を求める。面積では、求めた P(x)[1,1] で負であることを増減から確認し、11P(x)e2xdxを計算する。

解答

(1) P(x)=4x3+ax2+bx+c とおくと f(x)=P(x)e2x である。したがって f(x)={P(x)+2P(x)}e2x である。e2x>0 なので、極値をとる点では P(x)+2P(x)=0 が必要である。

ここで P(x)+2P(x)=8x3+(2a+12)x2+(2b+2a)x+(2c+b) である。x=1,0,1 で極値をもつため、この3次式は 8x(x1)(x+1)=8x38x に等しい。係数比較により 2a+12=0,2b+2a=8,2c+b=0 である。これを解くと a=6,b=2,c=1 である。なおこのとき P(x)+2P(x)=8x(x1)(x+1)1,0,1 で符号を変えるので、実際に極値をもつ。

(2) (1) より P(x)=4x36x2+2x1 である。まず [1,1]P(x)<0 を確認する。導関数は P(x)=12x212x+2 であり、臨界点は x=12±36 である。端点では P(1)=13,P(1)=1 である。また P(1236)=1+39<0 であり、P(12+36)=139<0 である。したがって [1,1]P(x)<0 であり、f(x)<0 である。

よって求める面積 SS=11P(x)e2xdxである。ここでP(x)e2xdx=(2x36x2+7x4)e2xである。したがって11P(x)e2xdx={26+74}e2{2674}e2であり、=e2+19e2 である。よって S=e219e2 である。したがって求める面積は e219e2 である。

別解

解法2(増減で符号を確定)

方針

導関数の3つの零点から係数を比較する。面積の符号は元の3次式を別に微分せず、得られた f の符号と端点・極値の値から曲線全体が x 軸の下にあることを示す。

解答

(1)
P(x)=4x3+ax2+bx+c と置くとf(x)={P(x)+2P(x)}e2x.括弧内は先頭係数8の3次式で、零点が 1,0,1 だからP(x)+2P(x)=8x(x21).係数比較によりa=6,b=2,c=1.(2)
このとき f(x) の符号は x(x21) の符号に一致する。したがって [1,0] では増加し、[0,1] では減少する。またf(1)=13e2<0,f(0)=1<0,f(1)=e2<0.よって区間全体で f(x)<0 である。

Q(x)+2Q(x)=P(x) となる3次式を係数比較で求めるとQ(x)=2x36x2+7x4.したがってP(x)e2xdx=Q(x)e2x.求める面積はS=11f(x)dx=[Q(x)e2x]11=e219e2.

総評

指数関数付き多項式の極値条件と面積を扱う問題で、目安は34分。fの3次因子を8x(x21)と確定すること、面積前にf<0を証明することが重要である。増減を使えばPを再度微分する計算を省ける。

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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。