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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6問

aは実数とする.関数f(x)=2x2log⁡x−x2−ax(x−2)のx>1のおける極小値の個数を求めよ(極小値そのものは求める必要はない).
ただし,log⁡は自然対数とする.

難易度7/ 10計算量5/ 10目安22分

微分、指数・対数 微分による最大最小、範囲評価、必要十分条件

方針

導関数を 2{2xlog⁡x−a(x−1)} と因数分解し、臨界点の方程式を a=h(x)=2xlog⁡x/(x−1) に直す。x>1 で h(x) が単調増加し、値域が (2,∞) であることを示せば、臨界点の個数が分かる。最後に、その臨界点では f′′(x)>0 となることを確認し、極小値の個数に直す。

解答

x>1 で f(x)=2x2log⁡x−x2−ax(x−2) を微分するとf′(x)=4xlog⁡x+2x−2x−a(2x−2)=4xlog⁡x−2ax+2a=2{2xlog⁡x−a(x−1)}である。したがって f′(x)=0 は a=2xlog⁡xx−1 と同値である。

ここで h(x)=2xlog⁡xx−1(x>1) とおく。微分するとh′(x)=2(log⁡x+1)(x−1)−2xlog⁡x(x−1)2=2(x−1−log⁡x)(x−1)2である。x>1 では x−1>log⁡x が成り立つので h′(x)>0 である。よって h(x) は単調増加する。

また、x を1に近づけると log⁡x は x−1 に近いので h(x)→2 である。さらに x→∞ では h(x)→∞ である。したがって h(x) の値域は (2,∞) である。

ゆえに f′(x)=0 の解は、a>2 のときただ1つ存在し、a≦2 のとき存在しない。

最後に、a>2 のときの臨界点が極小を与えることを確認する。臨界点では a=2xlog⁡xx−1 であり、f′′(x)=4log⁡x+4−2a=4log⁡x+4−4xlog⁡xx−1=4(1−log⁡xx−1)>0である。したがって、その臨界点は極小点であり、極小値は1個生じる。

よって x>1 における極小値の個数は{0(a≦2),1(a>2)である。

臨界点を決める単調関数

別解

解法2

方針

f′(x)=2(x−1){h(x)−a} と分解し、h(x)=2xlog⁡x/(x−1) の値域を調べて符号変化を直接読む。これにより極小判定を二階微分なしでも行う。

解答

x>1 でf′(x)=2{2xlog⁡x−a(x−1)}=2(x−1){2xlog⁡xx−1−a}.h(x)=2xlog⁡xx−1と置くとh′(x)=2(x−1−log⁡x)(x−1)2>0.さらにlim⁡x→1+0h(x)=2,lim⁡x→∞h(x)=∞.したがって値域は (2,∞) である。

a≦2 なら常に h(x)−a>0 なので f′>0、極小値は0個。a>2 なら h(x)=a はただ1解をもち、その前で f′<0、後で f′>0 となる。よって極小値は1個である。{0(a≦2),1(a>2).

総評

難度は10段階中7、計算量は10段階中5。目安時間は22分。採点ポイントは、f′(x)=0 を a=h(x) の形にすること、h′(x)>0 を x−1>log⁡x で示すこと、臨界点の存在だけでなく f′′(x)>0 により極小であることを確認することである。誤りやすいのは、a=2 のとき x>1 に解があると考えてしまうこと、また極小「値」の個数を極小点の存在判定と分けずに扱うことである。

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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。