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東北大学 1993年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第4問

関数f(x)=∫xx+13t2(t+1)(t−1)dtの極大値,極小値をしらべ,
y=f(x)のグラフの概形をかけ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15分

積分、微分、関数 微分による最大最小、グラフの概形、計算整理

方針

まず積分を実行して f(x) を多項式として表す。被積分関数は 3t2(t2−1) なので、f(x)=3x2(x+1)2−2/5 まで整理できる。微分すると f′(x)=6x(x+1)(2x+1) となり、符号表から x=−1,0 が極小、x=−1/2 が極大と分かる。概形は対称軸 x=−1/2、両端上昇、極値の高さを使って描く。

解答

まず被積分関数を整理すると 3t2(t+1)(t−1)=3t2(t2−1)=3t4−3t2 である。したがってf(x)=∫xx+1(3t4−3t2)dt=[35t5−t3]xx+1である。これを展開して整理すると f(x)=3x4+6x3+3x2−25 であり、f(x)=3x2(x+1)2−25 とも書ける。

微分すると f′(x)=12x3+18x2+6x=6x(x+1)(2x+1) である。したがって臨界点は x=−1,−12,0 である。

符号を調べると、f′(x) は(−∞,−1)で負,(−1,−12)で正,(−12,0)で負,(0,∞)で正である。よって x=−1 と x=0 で極小、x=−1/2 で極大となる。

値は f(−1)=3⋅1⋅0−25=−25,f(0)=−25 であり、f(−12)=3(14)(14)−25=316−25=−1780である。したがって極小値 −25(x=−1,0),極大値 −1780(x=−12)である。

グラフの概形については、f(x)=3x2(x+1)2−25 より x=−1/2 に関して左右対称であり、x→±∞ で f(x)→∞ である。x=−1 と x=0 に同じ高さの谷をもち、その間の x=−1/2 に山をもつ。ただしその極大値 −17/80 も負である。以上を用いて、左右対称なW字型の概形を描けばよい。

別解

解法2

方針

積分を実行した後、z=x+1/2 と平行移動する。f(x)=3(z2−1/4)2−2/5 となるので、p=z2≧0 上の二次関数として極小と中央の極大を読み、対称性から概形を描く。

解答

積分を実行するとf(x)=3x4+6x3+3x2−25.z=x+12とおけば x(x+1)=z2−1/4 だからf(x)=3(z2−14)2−25.p=z2≧0 と見ると、右辺は3(p−14)2−25である。これは p=1/4 で最小になる。したがってz=±12,x=−1,0で極小値−25をとる。

z=0、すなわち x=−1/2 の近くでは、∣z∣ を0から増やすと p=z2 が増え、0≦p≦1/4 では値が減る。したがって x=−1/2 は極大点であり、f(−12)=3(14)2−25=−1780.式は z の偶関数なので対称軸は x=−1/2 である。また ∣x∣→∞ で f(x)→∞。よってグラフは、(−1,−2/5)、(0,−2/5) に谷、(−1/2,−17/80) に中央の山をもつ左右対称なW字型である。

総評

定積分で定義された関数を多項式に直し、微分で概形を描く問題。f(x)=3x2(x+1)2−2/5 まで整理できると、対称性と極小値が一目で分かる。符号表では −1,−1/2,0 の順に並べ、増減が負・正・負・正となることを確認する。極大値も負なので、中央の山が x 軸より下にある点は概形で間違えやすい。 導関数の符号表と z2 の二次関数化を照合し、中央の極大値も負である概形を確認した。

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出典: 東北大学 1993年度 後期日程 第2次学力試験 文系(後期) 後期 第4問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。