方針
積分部分は x x に依存しない定数なので、まずC = ∫ 0 1 { f ( t ) } 2 d t C = ∫ 0 1 { f ( t ) } 2 d t とおく。すると関数は必ず f ( x ) = a x + C f ( x ) = a x + C の形になり、未知関数の問題は定数 C C の2次方程式に帰着する。関数がただ1つ存在するためには、この2次方程式が実数解をちょうど1つもつ必要があるので、判別式を0にする。最後に a > 0 a > 0 を使って候補を選び、対応する C C と f ( x ) f ( x ) を求める。
解答
C = ∫ 0 1 { f ( t ) } 2 d t C = ∫ 0 1 { f ( t ) } 2 d t とおく。この C C は x x によらない定数である。与式は f ( x ) = a x + C f ( x ) = a x + C を意味するので、条件を満たす関数があるならば必ずこの形である。
この形を C C の定義に代入するとC = ∫ 0 1 ( a t + C ) 2 d t = ∫ 0 1 ( a 2 t 2 + 2 a C t + C 2 ) d t = a 2 3 + a C + C 2 . C = ∫ 0 1 ( a t + C ) 2 d t = ∫ 0 1 ( a 2 t 2 + 2 a C t + C 2 ) d t = 3 a 2 + a C + C 2 . したがって C C は C 2 + ( a − 1 ) C + a 2 3 = 0 C 2 + ( a − 1 ) C + 3 a 2 = 0 を満たす。
逆に、この2次方程式の実数解 C C が1つ決まれば、f ( x ) = a x + C f ( x ) = a x + C は与式を満たす。よって、関数 f ( x ) f ( x ) がただ1つしか存在しないことは、この2次方程式が実数解をちょうど1つもつことと同値である。したがって判別式が0であればよい。 ( a − 1 ) 2 − 4 ⋅ a 2 3 = 0 ( a − 1 ) 2 − 4 ⋅ 3 a 2 = 0 より 3 ( a − 1 ) 2 − 4 a 2 = 0 3 ( a − 1 ) 2 − 4 a 2 = 0 すなわち a 2 + 6 a − 3 = 0 a 2 + 6 a − 3 = 0 である。これを解くと a = − 3 ± 2 3 a = − 3 ± 2 3 であり、a > 0 a > 0 だから a = 2 3 − 3 a = 2 3 − 3 である。
このとき C C は重解であり、C = − a − 1 2 = 1 − a 2 = 1 − ( 2 3 − 3 ) 2 = 2 − 3 C = − 2 a − 1 = 2 1 − a = 2 1 − ( 2 3 − 3 ) = 2 − 3 である。したがって求める関数は f ( x ) = ( 2 3 − 3 ) x + 2 − 3 f ( x ) = ( 2 3 − 3 ) x + 2 − 3 である。
別解 解法2
方針
未知関数は傾き a a の直線に限られる。切片を横軸、積分から得る値を縦軸にとり、固定点がただ1つとなる接する条件で処理する。
解答
C = ∫ 0 1 { f ( t ) } 2 d t C = ∫ 0 1 { f ( t ) } 2 d t とおけば f ( x ) = a x + C f ( x ) = a x + C である。逆にこの形を代入するとC = ∫ 0 1 ( a t + C ) 2 d t = a 2 3 + a C + C 2 . C = ∫ 0 1 ( a t + C ) 2 d t = 3 a 2 + a C + C 2 . したがって、直線 y = C y = C と放物線y = C 2 + a C + a 2 3 y = C 2 + a C + 3 a 2 の交点の横座標が、可能な切片 C C である。ただ1つの関数が存在するためには両グラフが接すればよいからC 2 + ( a − 1 ) C + a 2 3 = 0 C 2 + ( a − 1 ) C + 3 a 2 = 0 が重解をもつ。よって( a − 1 ) 2 − 4 a 2 3 = 0. ( a − 1 ) 2 − 3 4 a 2 = 0. a > 0 a > 0 よりa = 2 3 − 3. a = 2 3 − 3. 接点の横座標はC = 1 − a 2 = 2 − 3 C = 2 1 − a = 2 − 3 なのでf ( x ) = ( 2 3 − 3 ) x + 2 − 3 . f ( x ) = ( 2 3 − 3 ) x + 2 − 3 .
総評
未知関数の形に見えるが、積分値が定数であることを見抜けば2次方程式の問題になる。目安時間は10分程度。重要なのは、C C の実数解1つと関数1つが対応していることを明示する点である。判別式0だけを書いても、なぜ唯一性と結びつくのかが弱くなる。最後は a > 0 a > 0 により負の候補を捨て、重解の C C を使って関数まで具体的に書く。
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東北大の関数の問題
出典: 東北大学 1999年度 前期 文系 第2問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。