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=x3−px 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=3p とおく。導関数は f′(x)=3x2−p 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)3−p(−u)=−u3+pu=u(p−u2)=32puである。
点 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=x3−px 上にあるので、a=(−b)3−p(−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=−(32pu)3+p⋅32pu. u>0 で割り、さらに u2=p/3 を用いると−1=−278p3u2+32p2=−818p4+32p2.したがって 8p4−54p2−81=0 である。X=p2 とおくと 8X2−54X−81=0 であり、X=1654+1817=89(3+17) を得る。p>0 だから p=383+17 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)=3x2−p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。
Q が y=x3−px 上にある条件は−u=(−2u3)3−3u2(−2u3)=−8u9+6u5.u>0 で割ると8u8−6u4−1=0.v=u4 とおけば8v2−6v−1=0.v>0 よりv=83+17.したがってp=3u2=3u4=383+17.
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。
冊子PDFで見る東北大の微分の問題で問題集を作る
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。