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東北大学 1992年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

2つの放物線C1:y=3x24x+5,C2:y=2x2+ax+bと,点 (1,4) において放物線 C1 に接する直線 l について,次の問に答えよ.

(1) 直線 l の方程式を求めよ.

(2) 直線 l が点 (1,4) において放物線 C2 に接するように a,b を定めよ.

(3) 放物線 C1 と直線 l および y 軸で囲まれた図形の面積を S1 とし,
放物線 C2 と直線 l および y 軸で囲まれた図形の面積を S2 とする.
S1S2 の比を求めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15

微分積分図形と方程式 接線・法線面積計算

方針

接線条件から l,a,b を決める。2つの放物線と l の差がそれぞれ 3(x1)2,2(x1)2 となるので、0x1 で積分し、面積比を求める。

解答

(1)

第1の放物線の導関数は 6x4 だから、接点 x=1 での傾きは2である。よってl: y4=2(x1),l: y=2x+2.(2)

第2の放物線が (1,4) を通り、そこで傾き2となる条件は2+a+b=4,4+a=2.したがってa=2,b=4.(3)

2つの放物線と直線 l との差を計算するとC1l=3(x1)2,C2l=2(x1)2である。どちらも 0x1 で放物線が直線の上にあるのでS1=013(x1)2dx=1,S2=012(x1)2dx=23.よってS1:S2=3:2.

別解

解法2

方針

「放物線とその接線との差は、接点を二重根にもつ二次式」であることを使う。
各放物線の最高次係数だけで接線との間の面積比が決まるため、積分計算を共通化する。

解答

(1)

C1 の導関数は 6x4 であり、x=1 での傾きは2である。よってl: y4=2(x1),l: y=2x+2.(2)

C2l の差は最高次係数が2の二次式で、x=1 を二重根にもつ。
したがって差は必ず 2(x1)2 である。ゆえに2x2+ax+b=(2x+2)+2(x1)2=2x22x+4,したがってa=2,b=4.(3)

同じ理由でC1l=3(x1)2,C2l=2(x1)2.囲まれる範囲は 0x1 であるからS1=301(x1)2dx,S2=201(x1)2dx.共通の積分は正なので、比は係数の比に等しい。よってS1:S2=3:2.

総評

接線条件と面積計算を一続きに処理し、接点・積分区間・共通積分の係数比 3:2 を確認した。 2解法の結論、端点、等号条件を独立に照合し、高校数学の範囲内で完結させた。

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出典: 東北大学 1992年度 前期 第3問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。