方針
接する条件は、接点で関数値が直線 と一致し、微分係数も1になること。これで を決める。面積は、直線 、放物線 、放物線 の交点を確認し、 では と直線、 では と直線の差を積分する。
解答
まず係数を求める。 が原点で直線 と接する。原点を通ることは自動的に成り立つので、接線の傾きが1であればよい。 の導関数は だから である。
次に が点 で と接する。導関数は であるから より である。また点 を通るので すなわち より である。したがって である。
このとき である。直線 との差を見ると であり、 は で直線の上にある。また であり、 も直線の上にあり、 で接する。 と の交点を求めると すなわち である。よって正の交点は である。
したがって囲まれた部分の面積 はである。すなわち である。
計算するとであるから である。よって面積は である。
別解
解法2(接線との差を平方で表す)
方針
接点条件から係数を決めた後、
各放物線と直線 の差を完全平方として表す。
2放物線の正の交点で積分区間を分ける。
解答
の導関数は であり、
原点で傾き1だから である。
の導関数は であり、 で傾き1だから
。さらに を通るので である。このとき直線との差はまた の正の解は である。したがって面積は
総評
難度6、計算量5。接する条件は「通る」と「傾きが等しい」の2条件である。特に は なので となり、 だけ直線より上にある。面積では と の交点 で上側の放物線が入れ替わる。既存の 項を落とすと面積が変わるため注意が必要。目安は18分程度。 2つの解法は標準的な答案手順と、構造を使って検算できる別経路に分けた。等号条件、範囲、必要性と十分性を明示し、積分・総和・極限および主要な分数は読みやすい表示形式に統一した。