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東北大学 1995年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

n=0,1,2,3に対し11xnf(x)dx=0を同時に満たす4次式f(x)を求めよ.
ただし,f(x)x4の係数は1とする.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安20

積分関数 恒等式比較定積分評価、計算整理

方針

4次式を未知係数つきで置き,[1,1] で奇関数の積分が0になることを利用する。n=1,3 の条件から奇数次の係数を消し,n=0,2 の条件から偶数次の係数を連立して決める。最後に4本すべての積分条件を満たすことを確認する。

解答

x4 の係数が1であるから f(x)=x4+px3+qx2+rx+s とおく。区間が [1,1] なので,奇関数の積分は0であることを用いる。

まず n=1 の条件を使うと11xf(x)dx=11(x5+px4+qx3+rx2+sx)dx=0である。奇関数の項は消えるので 2p5+2r3=0 すなわち p5+r3=0 である。また n=3 の条件から11x3f(x)dx=0より 2p7+2r5=0 すなわち p7+r5=0 である。2式を連立すると p=r=0 である。

したがって f(x)=x4+qx2+s と書ける。n=0 の条件は11(x4+qx2+s)dx=0であり,25+2q3+2s=0 となる。n=2 の条件は11x2(x4+qx2+s)dx=0であり,27+2q5+2s3=0 となる。2で割って整理すると 15+q3+s=0,17+q5+s3=0 である。第1式から s=15q3 として第2式に代入すると 17+q5115q9=0 すなわち 8105+4q45=0 である。よって q=67 であり,s=15+27=335 である。したがって f(x)=x467x2+335 を得る。

別解

解法2

方針

(x21)4 を4回微分して4次式を作る。端点で3階微分まで消えることを利用し、部分積分を繰り返して 1,x,x2,x3 のすべてと直交することを一度に示す。

解答

F(x)=(x21)4=x84x6+6x44x2+1とおく。4回微分するとF(4)(x)=1680x41440x2+144=1680(x467x2+335)である。そこでf(x)=11680F(4)(x)=x467x2+335と定める。

F(x)x=±1 をそれぞれ4重根にもつので、F(±1)=F(±1)=F(±1)=F(±1)=0である。n=0,1,2,3 に対して部分積分を4回行うと、すべての境界項が消え、11xnF(4)(x)dx=11d4dx4(xn)F(x)dx=0となる。最後の等号は xn の4階微分が0だからである。したがってこの
f(x) は4条件をすべて満たす。x4 の係数も1なので、求める式はf(x)=x467x2+335である。

総評

難度は10段階中6、計算量は10段階中6。目安時間は20分。未知係数法の標準問題だが,4本の積分条件をただ並べると計算が重くなる。区間 [1,1] の対称性を使い,奇関数の積分を0として整理するのが最短である。p,r を消してから q,s を決める流れを明確に書くと,計算ミスを見つけやすく,最後の多項式も検算しやすい。 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。図を含む場合は本文との対応と縮尺に依存しない論証も確認している。

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出典: 東北大学 1995年度 前期日程 文系 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。