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東北大学 2002年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第1問

p>0とする.xy平面上の点Aが放物線y2=4px上を動くとき,
点Aとx軸上の点(t, 0)の距離の最小値g(t)を求めよ.
さらに,x≧0のとき,∫0xg(t)dtを求めよ.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安22分

図形と方程式、積分 微分による最大最小、置換積分、場合分け

方針

放物線 y2=4px 上の点を (s2/(4p),s) とおき、距離の2乗を u=s2≧0 の関数として最小化する。頂点が u≧0 に入るかどうかで t≦2p と t≧2p に分かれる。x≧0 の積分では、[0,2p] では g(t)=t、その後は平方根型を積分する。

解答

放物線上の点Aを A=(s24p,s) とおく。点 (t,0) との距離の2乗は (s24p−t)2+s2 である。ここで u=s2(u≧0) とおくと、最小にすべき式は (u4p−t)2+u である。

これを u の2次式として見ると u216p2+(1−t2p)u+t2 である。頂点は u=4p(t−2p) である。 t≦2p のとき、この頂点は u≦0 なので、u≧0 での最小は u=0 で生じる。したがって g(t)=∣t∣ である。 t≧2p のときは、頂点 u=4p(t−2p) が u≧0 に入る。これを代入すると距離の2乗の最小値は 4p(t−p) であるから g(t)=2p(t−p) である。よってg(t)={∣t∣(t≦2p),2p(t−p)(t≧2p)である。

次に x≧0 とする。0≦x≦2p では g(t)=t なので ∫0xg(t) dt=x22 である。 x≧2p では∫0xg(t) dt=∫02pt dt+∫2px2p(t−p) dt=2p2+2p∫2pxt−p dt=2p2+4p3{(x−p)3/2−p3/2}=4p3(x−p)3/2+2p23である。したがって∫0xg(t) dt={x22(0≦x≦2p),4p3(x−p)3/2+2p23(x≧2p)である。

放物線までの最短距離

別解

解法2

方針

放物線上の点を A=(pu2,2pu) と標準媒介表示し、距離平方を v=u2≥0 の二次式として平方完成する。積分は境界 t=2p で分ける。

解答

A=(pu2,2pu) と置く。点 (t,0) までの距離平方はD2=(pu2−t)2+4p2u2.v=u2≧0 とすればD2=p2v2+2p(2p−t)v+t2.頂点は v=(t−2p)/p である。したがってg(t)={∣t∣t≦2p,2p(t−p)t≧2p.x≧0 では、x≦2p のとき∫0xg(t) dt=x22.x≧2p のとき∫0xg(t) dt=2p2+2p∫2pxt−p dt=4p3(x−p)3/2+2p23.

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、距離の2乗を u=s2≧0 の2次式にすること、頂点が定義域に入るかで t=2p を境に分けること、積分で 0≦x≦2p と x≧2p を分けることである。誤りやすいのは、t≦2p の答えを t としてしまい、負の t に対する ∣t∣ を落とすことである。

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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。