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東北大学 1990年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第2問

a0<a<1なる数とし,2つの放物線C1:y=3x2,C2:y=3x218ax+12a2によって囲まれる図形のx1の部分の面積をSとする.

(1) 0<a12のとき,Saで表せ.

(2) 12<a<1のとき,Saで表せ.

(3) 0<a<1におけるSの最大値と,そのときのaを求めよ.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安20

積分微分 面積計算、場合分け、微分による最大最小

方針

2つの放物線の交点を先に求め、どちらが上にあるかを差で確認する。囲まれる部分は x=a から x=2a までだが、問題では x1 の部分だけを取るため、2a12a>1 で積分区間が変わる。最後は2つの式をそれぞれの範囲で最大化し、端点の値も比較する。

解答

2つの放物線の交点を求める。交点では 3x2=3x218ax+12a2 であるから 6x218ax+12a2=0 すなわち (xa)(x2a)=0 である。したがって交点の x 座標は x=a,x=2a である。

また、上下の差は C1C2=3x2(3x218ax+12a2)=6(xa)(x2a) である。a<x<2a では (xa)(x2a)<0 だから、C1C2 の上にある。

(1) 0<a12 のときは 2a1 であり、囲まれる図形全体が x1 に含まれる。よってS=a2a6(xa)(x2a)dxである。x=a+t とおくと 0ta6(xa)(x2a)=6t(ta)=6t(at) だからS=0a6t(at)dt=6[a2t213t3]0a=a3である。

(2) 12<a<1 のときは a<1<2a であるから、条件 x1 によって右端は x=1 になる。したがってS=a16(xa)(x2a)dxである。原始関数を求めると6(xa)(x2a)dx=2x3+9ax212a2xなので S=[2x3+9ax212a2x]a1 である。整理して S=2+9a12a2+5a3 となり、これは S=(a1)2(5a2) である。

(3) 0<a12 では S=a3 なので、この範囲での最大値は a=12 のとき S=18 である。 12<a<1 では S=(a1)2(5a2) である。微分すると S=2(a1)(5a2)+5(a1)2 であり、S=3(a1)(5a3) となる。12<a<1 では、a=35 を境に S は正から負に変わる。したがってこの範囲での最大は a=35 であり、S=(25)21=425 である。425>18 なので、全体の最大値は 425 であり、そのとき a=35 である。

別解

解法2:全体の面積から切り落とす部分を引く

方針

2曲線の差を x=a+t で表すと 6t(at) になる。全体の面積は直ちに a3 と分かり、2a>1 の場合だけ x>1 の尾部を引く。

解答

2曲線の交点の x 座標はx=a,x=2aであり、その間での上下の差はC1C2=6(xa)(x2a).x=a+t と置けばC1C2=6t(at).(1)
0<a1/2 では 2a1 なので、囲まれた部分全体を取る。よってS=0a6t(at)dt=a3.(2)
1/2<a<1 では、全体から 1<x<2a の部分を引く。t=xa と置いたまま計算するとS=a31aa6t(at)dt=a3[3at22t3]1aa=(a1)2(5a2).(3)
0<a1/2 では S=a3 は増加し、端でS=18.1/2<a<1 ではS=3(a1)(5a3).したがって a=3/5 で増加から減少へ変わり、S=(25)21=425.4/25>1/8 より、最大値は425,a=35.

総評

難度は10段階中6、計算量は10段階中6。交点が a,2a にあること自体は易しいが、x1 によって右端が切られるため場合分けが必要になる。面積の上下関係を差 6(xa)(x2a) で確認してから積分すると符号ミスを避けやすい。試験場では18分程度で、最大値比較では a=12 の端点値も忘れないこと。

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出典: 東北大学 1990年度 後期 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。