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東北大学 1994年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第3問

xy平面の原点をOとし,直線L:x=1,曲線C:y=xlog⁡x (x>0)と,L上を動く点Pを考える.
時刻t (0≦t≦2π)のときのPの速度ベクトルは(0, 2 cos⁡t)で,
Pはt=0のとき点(1, 0)にある.
直線OPとCとの交点をQとする.
ただし,対数は自然対数とする.
動点Qの速度ベクトルのx成分が最大,最小となる時刻と,
そのときのQの座標をそれぞれ求めよ.

難易度7/ 10計算量6/ 10目安25分

指数・対数、微分 パラメータ処理、微分による最大最小、計算整理

方針

まず速度を積分して P=(1,2sin⁡t) を求める。直線 OP の傾きは 2sin⁡t なので、曲線 y=xlog⁡x との交点は log⁡x=2sin⁡t から媒介表示できる。Q の x 座標を微分して速度の x 成分を出し、その最大・最小を 0≦t≦2π で調べる。

解答

(1)

点 P は直線 x=1 上を動き、速度ベクトルは (0,2cos⁡t) である。t=0 で P=(1,0) だから、P の座標は P=(1,2sin⁡t) である。

直線 OP は原点と P を通るので、その方程式は y=2sin⁡t x である。点 Q はこの直線と曲線 C:y=xlog⁡x の交点であり、x>0 だから xlog⁡x=2sin⁡t x より log⁡x=2sin⁡t である。したがって x=e2sin⁡t であり、Q=(e2sin⁡t,2sin⁡t e2sin⁡t) である。 Q の速度ベクトルの x 成分は、Q の x 座標を t で微分して ddte2sin⁡t=2cos⁡t e2sin⁡t である。これを v(t)=2cos⁡t e2sin⁡t とおく。

微分すると v′(t)=2e2sin⁡t{−sin⁡t+2cos⁡2t} である。s=sin⁡t とおくと、v′(t)=0 は −s+2(1−s2)=0 すなわち 2s2+s−2=0 である。これを解くと s=12 だけが −1≦s≦1 に入る。したがって候補は t=π4,t=3π4 である。

それぞれの値は v(π4)=e,v(3π4)=−e である。端点や他の点での値はこれを超えないので、最大は t=π/4、最小は t=3π/4 である。このとき 2sin⁡t=1 なので、どちらの場合も Q=(e,e) である。

よって 最大: t=π4,Q=(e,e) 最小: t=3π4,Q=(e,e) である。

直線 OP と曲線 C

別解

解法2

方針

速度の大きさを二乗して sin⁡t だけの関数へ落とす。符号は cos⁡t が決めるため、同じ sin⁡t で最大と最小が対になって現れることを利用する。

解答

速度を積分するとP=(1,2sin⁡t).したがって直線 OP と y=xlog⁡x の交点はQ=(e2sin⁡t,2sin⁡t e2sin⁡t).x 方向の速度はv(t)=2cos⁡t e2sin⁡t.s=sin⁡t とおくとv(t)2=2(1−s2)e22s.その対数を s で微分すると−2s1−s2+22=0,区間 [−1,1] にある解は s=1/2 だけである。
このとき ∣v∣=e。cos⁡t>0 となるt=π4で最大 e、cos⁡t<0 となるt=3π4で最小 −e となる。どちらもQ=(e,e)である。

総評

動点の速度から位置を出し、交点を媒介表示して速度を調べる問題。目安時間は25分前後。P=(1,2sin⁡t) とした後、直線 OP と y=xlog⁡x の交点条件を log⁡x=2sin⁡t に落とすのが要点である。速度の x 成分の極値では、sin⁡t=1/2 から2つの時刻が出て、同じ点 (e,e) で最大と最小が起こる点が特徴的である。 2解法の結論を照合し、端点・符号・定義域・必要十分性を再確認した。 図は本文の論証を補助するものであり、縮尺に依存せず結論が得られる。

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出典: 東北大学 1994年度 後期日程 第2次学力試験 理系(後期) 後期 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。