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東北大学 1997年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

(1) 直線y=x1は,2つの2次曲線y=x(x1),y=x23x+3に接することを示せ.

(2) 直線y=x1と,2つの2次曲線y=x(x1),y=x23x+3により囲まれる部分の面積を求めよ.

難易度4/ 10計算量4/ 10目安12

微分積分 接線・法線面積計算、計算整理

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=32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(x1)(x1)=x22x+1=(x1)2 である。したがって直線y=x1は、x=1で放物線y=x(x1)に接する。

また、x23x+3(x1)=x24x+4=(x2)2 であるから、直線y=x1は、x=2で放物線y=x23x+3に接する。

(2)
2つの放物線の交点は x(x1)=x23x+3 より 2x=3,x=32 である。 1x32ではx(x1)が下側、32x2ではx23x+3が下側になる。よって求める面積は 13/2{x(x1)(x1)}dx+3/22{x23x+3(x1)}dx である。平方の形を用いると 13/2(x1)2dx+3/22(x2)2dx となる。したがって13/2(x1)2dx=124,3/22(x2)2dx=124であるから、面積は 124+124=112 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 (x1)2(x2)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(x1)(x1)=(x1)2より、x=1 で値と傾きが一致する。同様にx23x+3(x1)=(x2)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x2x=x23x+3から x=3/2。囲まれた2つの部分は変換 x3x で移り合い、面積が等しい。よってS=213/2(x1)2dx=2[(x1)33]13/2=112.

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=32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。