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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5問

直線lは曲線C1:y=exC2:y=eax (a>1)の両方に接するとする.

(i) lC1との接点Px座標をsとし,
lC2との接点Qx座標をtとする.
このとき,staを用いて表せ.

(ii) a=2のときlC1C2で囲まれた図形の面積を求めよ.

難易度7/ 10計算量6/ 10目安25

指数・対数積分 接線・法線面積計算、置換積分

方針

共通接線を、C1 の接点 x=s における接線と、C2 の接点 x=t における接線としてそれぞれ書く。傾きと切片を比較して s,t を求める。a=2 では2曲線が x=0 で交わるので、閉じた領域を [t,0][0,s] に分け、上側の曲線から共通接線を引いて積分する。

解答

(i) C1:y=exx=s における接線は y=es(xs)+es=esx+es(1s) である。また C2:y=eaxx=t における接線は y=aeat(xt)+eat=aeatx+eat(1at) である。これらが同じ直線であるから、傾きと切片を比較して es=aeat,es(1s)=eat(1at) を得る。

第1式より es/eat=a なので sat=loga である。また第2式を第1式で割ると 1s=1ata となり、st=11a を得る。これらを連立して解くと s=1logaa1,t=1alogaa1 である。

(ii) a=2 のとき s=1log2,t=12log2 である。共通接線は、傾きが es=e/2 であり、切片が es(1s)=(e/2)log2 だから y=e2(x+log2) である。

2曲線 y=exy=e2xx=0 で交わる。したがって、囲まれた図形の面積 SS=t0{e2xe2(x+log2)}dx+0s{exe2(x+log2)}dxである。ここで t=12log2,s=1log2 を代入して計算すると、S=[12e2xe4x2e2(log2)x]t0+[exe4x2e2(log2)x]0s=3e1612.よって求める面積は 3e1612 である。

別解

解法2

方針

共通接線の傾きを m と置く。指数関数では接点を傾きから逆算できるので、2曲線の接線の切片を m だけで表し、一致条件を解く。

解答

共通接線の傾きを m>0 とする。y=ex では導関数も ex なので、接点の x 座標はs=logm.その接線の切片は m(1logm) である。

一方、y=eax ではaeat=mだからt=1alogma.接線の切片はmamt=ma(1logma).2つの切片を等しくすると1logm=1a(1logma).したがってlogm=1logaa1.よってs=1logaa1,t=1alogaa1.a=2 のときs=1log2,t=12log2,共通接線はl: y=e2(x+log2)である。2曲線は x=0 で交わるから、面積はS=t0{e2xe2(x+log2)}dx+0s{exe2(x+log2)}dx.各接点の値 es=e/2e2t=e/4 を用いて整理するとS=3e1612.

総評

難度7、計算量6。共通接線は傾きと切片の両方が一致する。面積は2曲線の交点 x=0 で積分を分け、各区間で上側の指数曲線から接線を引く。 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5問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。