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東北大学 2002年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第2問

12a2とする.
xy平面上の点A(1,0)B(1,0)C(1,1)D(1,1)を頂点とする長方形のうち,
放物線2y=x2aの下にある部分の面積をS1,上にある部分の面積をS2とする.

(1) S1を求めよ.

(2) a12a2を動くときの
S12+S22の最大値,最小値,およびそれらの値をとるときのaの値を求めよ.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安22

積分関数 面積計算、場合分け、微分による最大最小

方針

固定した x に対して、長方形内で放物線 y=(x2a)/2 の下にある縦の長さを求めて積分する。1/2a1 では xa の部分で長方形全体が放物線の下に入り、1a2 では全区間で放物線が上辺以下にあるので場合分けする。(2)は S1+S2=2 を使い、S1 が1からどれだけ離れるかを調べる。

解答

(1)
放物線は y=x2a2 である。長方形は 1x1,1y0 で表される。 1/2a1 のとき、xa では (x2a)/20 となるので、その縦線上では長方形全体が放物線の下にある。x<a では、放物線の下にある長さは 1+x2a2 である。よってS1=2(1a)+aa(1+x2a2)dx=223a3/2である。 1a2 のときは、1x1 全体で (x2a)/20 である。したがってS1=11(1+x2a2)dx=2+12(232a)=73aである。

以上よりS1={223a3/2(12a1),73a(1a2)である。

(2)
長方形全体の面積は2であるから S1+S2=2 である。したがって S12+S22=S12+(2S1)2=2(S11)2+2 である。

(1) で得た S1a の増加とともに減少し、a=1/2 で最大、a=2 で最小である。また S1=1 となるのは、1a2 の式から 73a=1 すなわち a=43 のときである。よって最小値は 2 であり、そのとき a=43 である。

最大値は S1 が1から最も離れる端点で生じる。a=1/2 では S1=226 であり、a=2 では S1=1/3 である。前者の方が1から遠いので、最大は a=1/2 である。その値は(226)2+(26)2=379223である。

長方形を切る放物線

別解

解法2

方針

放物線より上の面積 S2 を先に求める。対称性で x0 を2倍し、放物線が上辺 y=0 を横切る a=1 を境に分ける。(2)は S1+S2=2 と単調性で処理する。

解答

(1)
放物線は y=(x2a)/2 である。

12a1 では x<a の部分だけ放物線が長方形内にある。上側面積はS2=20aax22dx=23a3/2.したがってS1=223a3/2.1a2 では全区間で放物線が上辺以下なのでS2=11ax22dx=a13,S1=73a.(2)S12+S22=2(S11)2+2.S1 は単調減少し、S1=1a=4/3 で起こるため最小値は2。両端を比べると最大は a=1/2379223である。

総評

難度は10段階中6、計算量は10段階中6。目安時間は22分。採点ポイントは、縦に切ったときの「放物線の下」の長さを正しく求めること、a=1 を境に場合分けすること、S12+S22=2(S11)2+2 により最大最小を整理することである。誤りやすいのは、放物線が上辺 y=0 より上に出る部分で長方形全体を数え忘れること、また最大値を a=2 と早合点することである。

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出典: 東北大学 2002年度 後期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。