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東北大学 2001年度 後期日程文系(後期)数学 第2問

2つの放物線C:y=2x2+ax,D:y=12x2+bx+cがそれぞれ原点(0,0)と点(2,2)で直線y=xと接するようにabcの値を定めよ.
また,このときCx0の部分とDおよび直線y=xが囲む部分の面積を求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安18

積分図形と方程式 接線・法線面積計算、計算整理

方針

接する条件は、接点で関数値が直線 y=x と一致し、微分係数も1になること。これで a,b,c を決める。面積は、直線 y=x、放物線 C、放物線 D の交点を確認し、0x2/3 では C と直線、2/3x2 では D と直線の差を積分する。

解答

まず係数を求める。 C:y=2x2+ax が原点で直線 y=x 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。C の導関数は y=4x+a だから a=1 である。

次に D:y=12x2+bx+c が点 (2,2)y=x と接する。導関数は y=x+b であるから 2+b=1 より b=1 である。また点 (2,2) を通るので 1222+2b+c=2 すなわち 22+c=2 より c=2 である。したがって a=1,b=1,c=2 である。

このとき C:y=2x2+x,D:y=12x2x+2 である。直線 y=x との差を見ると Cx=2x2 であり、Cx0 で直線の上にある。また Dx=12x22x+2=12(x2)2 であり、D も直線の上にあり、x=2 で接する。 CD の交点を求めると 2x2+x=12x2x+2 すなわち 3x2+4x4=0 である。よって正の交点は x=23 である。

したがって囲まれた部分の面積 SS=02/3{(2x2+x)x}dx+2/32{(12x2x+2)x}dxである。すなわち S=02/32x2dx+2/3212(x2)2dx である。

計算すると02/32x2dx=1681,2/3212(x2)2dx=3281であるから S=4881=1627 である。よって面積は 1627 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 y=x 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

C の導関数は 4x+a であり、
原点で傾き1だから a=1 である。
D の導関数は x+b であり、x=2 で傾き1だから
b=1。さらに (2,2) を通るので c=2 である。a=1,b=1,c=2.このとき直線との差はC(x)x=2x2,D(x)x=12(x2)2.また C=D の正の解は x=2/3 である。したがって面積はS=02/32x2dx+2/3212(x2)2dx=1681+3281=1627.

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 Ca=1 なので y=2x2+x となり、2x2 だけ直線より上にある。面積では CD の交点 x=2/3 で上側の放物線が入れ替わる。既存の ax 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。

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出典: 東北大学 2001年度 後期 数学 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。