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東北大学 2008年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第2問

aとbを実数とし,曲線C:y=x2+2ax+bと
平面上の4点O(0, 0),P(2, 4),Q(2, 5),R(0, 1)を頂点とする
平行四辺形を考える.
直線OPは曲線Cの接線であり,その接点は線分OP上にあるとする.
曲線Cの上側と平行四辺形OPQRの内部の共通部分の面積をS(a)とおく.
このとき,以下の問いに答えよ.

(1) bをaで表せ.また,aの値の範囲を求めよ.

(2) 曲線Cが線分ORと交わるとき,aの値の範囲を求め,S(a)をaで表せ.

(3) aが(1)で求めた範囲を動くとき,S(a)の最大値を求めよ.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安26分

微分、積分、図形と方程式 接線・法線、面積計算、場合分け

方針

接点の x 座標を t と置くと,接線 OP は y=2x であり,接線条件から t=1−a,b=t2 が決まる。曲線は y=2x+(x−t)2 と書けるので,平行四辺形内で曲線の上側に残る縦の長さは 1−(x−t)2 である。(2)では線分 OR との交点条件から 0≦t≦1 に絞り,(3)では 0≦t≦2 全体で積分区間を場合分けして最大値を確認する。

解答

(1)
直線 OP は O(0,0),P(2,4) を通るので y=2x である。曲線 C:y=x2+2ax+b とこの直線の接点の x 座標を t とする。

曲線の接線の傾きは 2x+2a であるから,接点での傾きが2である条件は 2t+2a=2 である。したがって t=1−a である。また接点は直線 y=2x 上にあるので t2+2at+b=2t である。ここに a=1−t を代入すると b=2t−t2−2(1−t)t=t2 である。よって b=(1−a)2 である。

接点が線分 OP 上にある条件は 0≦t≦2 である。t=1−a だから −1≦a≦1 である。

(2) t=1−a とおく。(1)より曲線は y=x2+2(1−t)x+t2=2x+(x−t)2 である。平行四辺形 OPQR は 0≦x≦2,2x≦y≦2x+1 で表される。

曲線が線分 OR と交わるとは,x=0,0≦y≦1 上に曲線の点があることである。x=0 で曲線の y 座標は t2 だから 0≦t2≦1 である。さらに(1)より 0≦t≦2 なので 0≦t≦1 である。したがって 0≦a≦1 である。

このとき曲線の上側かつ平行四辺形の内部にある部分の縦の長さは (2x+1)−{2x+(x−t)2}=1−(x−t)2 である。0≦t≦1 では有効な積分区間は 0≦x≦t+1 なので S(a)=∫0t+1{1−(x−t)2} dx である。u=x−t とおくと,積分区間は −t≦u≦1 となりS(a)=∫−t1(1−u2) du=[u−u33]−t1=23+t−t33である。t=1−a より S(a)=23+(1−a)−(1−a)33 である。

(3)
(1)より 0≦t≦2 を動かせばよい。一般には S=∫max⁡(0,t−1)min⁡(2,t+1){1−(x−t)2} dx である。 0≦t≦1 では,(2)と同じく S=23+t−t33 であり,微分すると dSdt=1−t2≧0 である。よってこの範囲では t=1 で最大となる。 1≦t≦2 では積分区間は t−1≦x≦2 である。u=x−t とおくと S=∫−12−t(1−u2) du=23+(2−t)−(2−t)33 である。これは 2−t が 1 から 0 へ減るにつれて減少するので,この範囲でも最大は t=1 である。

したがって最大値は Smax⁡=∫−11(1−u2) du=43 である。

図は t=1 の場合。上下の差は 1−(x−t)2 で、積分区間は [0,2]∩[t−1,t+1]。

総評

難度は10段階中6、計算量は10段階中6。試験場での目安は26分で、接線条件から面積積分までの整理力を問う問題である。採点点は、接点を t=1−a と置いて b=t2 を出すこと、曲線を y=2x+(x−t)2 と書き直すこと、面積の有効区間を [0,2] と [t−1,t+1] の共通部分として扱うことにある。(2)では線分 OR との交点条件が 0≦a≦1 になる点を忘れやすい。

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出典: 東北大学 2008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。