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東北大学 1996年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第1問

3次関数f(x)=x3pxx=aにおいて極大値bをとるとする.
P(a,b)を原点を中心に正の向きに90回転した点をQとする.
曲線y=f(x)が点Qを通るようなpの値を求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20

微分図形と方程式 微分による最大最小回転・拡大、計算整理

方針

極大点をもつために p>0 が必要であり、極大点は f(x)=0 の負の方である。そこで u=p/3 とおいて極大点 P=(u,2pu/3) を表し、90度回転した点 Q=(b,a) を曲線 y=x3px に代入する。最後は p2 についての2次方程式にして正の解だけを採用する。

解答

極大値をもつためには p>0 が必要である。そこで u=p3 とおく。導関数は f(x)=3x2p であり、臨界点は x=±u である。f(x)=6x より、極大点は負の方だから a=u である。このときb=f(a)=(u)3p(u)=u3+pu=u(pu2)=2pu3である。

P(a,b) を原点中心に正の向きに90度回転すると Q=(b,a) である。これが曲線 y=x3px 上にあるので、a=(b)3p(b) すなわち u=b3+pb が成り立つ。ここで b=2pu/3 を代入すると u=(2pu3)3+p2pu3. u>0 で割り、さらに u2=p/3 を用いると1=8p3u227+2p23=8p481+2p23.したがって 8p454p281=0 である。X=p2 とおくと 8X254X81=0 であり、X=54+181716=9(3+17)8 を得る。p>0 だから p=33+178 である。

別解

解法2

方針

極大点の x 座標を u と置く。すると p、極大値、90度回転後の点がすべて u の単項式で表せるため、曲線条件を u4 の2次方程式へ落とす。

解答

極大点の x 座標を u とする。ただし u>0 である。f(x)=3x2pだからp=3u2.極大値はb=f(u)=u3+3u3=2u3であり、P=(u,2u3).これを正の向きに 90 回転した点はQ=(2u3,u)である。

Qy=x3px 上にある条件はu=(2u3)33u2(2u3)=8u9+6u5.u>0 で割ると8u86u41=0.v=u4 とおけば8v26v1=0.v>0 よりv=3+178.したがってp=3u2=3u4=33+178.

総評

難度6、計算量5。極大点は負の臨界点であり、正の向きの90度回転は (x,y)(y,x) である。最後に p>0 を使い、正の平方根だけを採用する。 2解法の最終値を照合し、境界条件・符号・定義域も確認した。

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出典: 東北大学 1996年度 前期日程 理系 第1問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。