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東北大学 1999年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第3問

xy平面において,不等式yx33p2(x2)qで定まる領域をD
不等式1x2y0で定まる領域をEとする.
EDに含まれるためのpqについての条件を求めよ.
また,この条件をみたす(p,q)の領域をpq平面に図示せよ.

難易度7/ 10計算量7/ 10目安20

関数微分図形と方程式 必要十分条件微分による最大最小、場合分け

方針

E1x2y0 の下向きの領域である。これが D に含まれるには、各 x[1,2] で境界線 y=0D に入れば十分かつ必要である。したがって x33p2(x2)q0 が区間全体で成り立つ条件に直す。これは h(x)=x33p2x+6p2 の最小値を [1,2] で求める問題であり、p が区間の左・内部・右のどこにあるかで場合分けする。

解答

領域 Dyx33p2(x2)q で定まる。領域 E1x2y0 であるから、ED となるためには、すべての 1x2 について、E の上端である y=0D に含まれればよい。すなわち 0x33p2(x2)q(1x2) が必要十分である。

したがって qx33p2x+6p2(1x2) がすべての x で成り立てばよい。つまり qmin1x2{x33p2x+6p2} である。

ここで h(x)=x33p2x+6p2 とおくと h(x)=3x23p2=3(x2p2) である。区間 [1,2] では x>0 なので、臨界点として関係するのは x=p である。 p1 のとき、[1,2]x2p20 だから h(x) は増加する。よって最小値は h(1)=13p2+6p2=1+3p2 である。 1p2 のとき、h(x)1xp で減少し、px2 で増加する。よって最小値は h(p)=p33p2p+6p2=2p3+6p2 である。 p2 のとき、[1,2]x2p20 だから h(x) は減少する。よって最小値は h(2)=86p2+6p2=8 である。

以上より、求める条件はq{1+3p2(p1),2p3+6p2(1p2),8(p2)である。

図示すると、pq 平面で上の境界曲線 q=1+3p2(p1), q=2p3+6p2(1p2), q=8(p2) を描き、その下側全体を塗った領域である。境界はすべて含む。

別解

解法2

方針

包含条件を区間上の最小値へ直す。r=p と置けば偶関数として3区間だけを調べればよい。

解答

ED であるための必要十分条件はqh(x):=x33p2x+6p2(1x2)である。r=p とおくとh(x)=3(x2r2).min1x2h(x)={h(1)=1+3p2,0r1,h(r)=2r3+6r2,1r2,h(2)=8,r2.したがってq{1+3p2,p1,2p3+6p2,1p2,8,p2.pq 平面では、この連続な偶関数のグラフを境界とする下側で、境界も含む。

総評

領域包含を1変数関数の最小値問題へ変換する問題である。目安時間は20分程度。E が下向きに無限に伸びる領域なので、上端 y=0 だけを調べればよいという観察が最初の鍵になる。最小値の計算では h(x)=3(x2p2) から p で場合分けする。p=1,2 の境界で式がつながることも確認しておくと、図示の際に曲線の接続を誤りにくい。

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出典: 東北大学 1999年度 後期 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。