方針
直線と各放物線の差をとり、差が平方になることから接点を特定する。面積は、直線の上側で2つの放物線のうち下側の曲線までの部分であり、2つの放物線の交点x=23で上下関係が入れ替わるので、そこで積分区間を分ける。
解答
(1) x(x−1)−(x−1)=x2−2x+1=(x−1)2 である。したがって直線y=x−1は、x=1で放物線y=x(x−1)に接する。
また、x2−3x+3−(x−1)=x2−4x+4=(x−2)2 であるから、直線y=x−1は、x=2で放物線y=x2−3x+3に接する。
(2)
2つの放物線の交点は x(x−1)=x2−3x+3 より 2x=3,x=23 である。 1≦x≦23ではx(x−1)が下側、23≦x≦2ではx2−3x+3が下側になる。よって求める面積は ∫13/2{x(x−1)−(x−1)}dx+∫3/22{x2−3x+3−(x−1)}dx である。平方の形を用いると ∫13/2(x−1)2dx+∫3/22(x−2)2dx となる。したがって∫13/2(x−1)2dx=241,∫3/22(x−2)2dx=241であるから、面積は 241+241=121 である。
別解
解法2
方針
直線から各放物線までの鉛直距離が、それぞれ (x−1)2、(x−2)2 になることを使う。2つの小領域は x=3/2 に関して対称なので、一方の積分を2倍する。
解答
(1) x(x−1)−(x−1)=(x−1)2より、x=1 で値と傾きが一致する。同様にx2−3x+3−(x−1)=(x−2)2より、x=2 で値と傾きが一致する。したがって直線は両放物線に接する。
(2)
2放物線の交点はx2−x=x2−3x+3から x=3/2。囲まれた2つの部分は変換 x↦3−x で移り合い、面積が等しい。よってS=2∫13/2(x−1)2dx=2[3(x−1)3]13/2=121.
総評
難度4、計算量4。目安時間は12分。接線判定も面積も平方の形に直すと短い。接点はx=1,2だが、積分を分ける点は2つの放物線の交点x=23である。上下関係を取り違えずに、直線との差を積分することが大切である。
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出典: 東北大学 1997年度 前期 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。