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東北大学 2010年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第4問

xy平面の点(1,0)(0,1)(1,4)を結んでできる折れ線をグラフとする関数を
y=f(x)とおく.このとき,積分11{f(x)(ax+b)}2dxを最小にするabを求めよ.また,そのときの積分の値を求めよ.

難易度5/ 10計算量5/ 10目安22

積分関数 定積分評価微分による最大最小、計算整理

方針

折れ線で定義された f(x) を,1x00x1 に分けて一次式で表す。x も同じ区間で外せるので,積分は a,b の2次式になる。2変数の2次式を,まず a について平方完成し,次に残った b の2次式を平方完成して最小値を求める。

解答

折れ線の式を区間ごとに求める。点 (1,0)(0,1) を結ぶ直線は傾き1なので f(x)=x+1(1x0) である。また,点 (0,1)(1,4) を結ぶ直線は傾き3なので f(x)=3x+1(0x1) である。

さらに、1x0 では x=x0x1 では x=x である。積分値を I とおくとI=10{x+1(ax+b)}2dx+01{3x+1(ax+b)}2dx=10{(1+a)x+1b}2dx+01{(3a)x+1b}2dx.一般に01(px+q)2dx=p23+pq+q2であり、左側の積分も u=x と置けば同様に処理できる。展開して整理するとI=23a2+2ab103a+2b26b+223である。

まず b を固定して a について平方完成する。I=23(a53b2)2+(12b2b+196).したがって,固定した b に対して最小となるのは a=53b2 のときである。

残った b の式は 12b2b+196=12(b1)2+83 である。よって最小となるのは b=1 のときであり,そのとき a=532=1 である。

したがって a=1,b=1 であり,最小値は 83 である。

別解

解法2(奇関数と偶関数の分離)

方針

基準となる近似関数を x+1 と選ぶ。f(x)(x+1)=2x は奇関数であり、一般の補正 (1a)x+(1b) は偶関数である。対称区間では両者の積分が0になるため、誤差平方積分が直交分解される。

解答

区間ごとの式からf(x)={x+1(1x0),3x+1(0x1)である。したがって両区間でf(x)(x+1)=2xが成り立つ。

よってf(x)(ax+b)=2x+(1a)x+(1b).ここで 2x は奇関数、E(x)=(1a)x+(1b)は偶関数である。したがって 2xE(x) は奇関数であり、対称区間上で112xE(x)dx=0となる。ゆえに11{f(x)(ax+b)}2dx=114x2dx+11E(x)2dx114x2dx.等号が成り立つには E(x)0 が必要十分であり、a=1,b=1である。このとき最小値は114x2dx=83となる。

総評

難度は10段階中5、計算量は10段階中5。目安時間は22分程度で、折れ線関数と絶対値を同じ区間で分けるところが出発点である。積分後は a,b の2次式になるため、文系範囲では平方完成で最小値を出すのが自然である。計算量は大きくないが、左区間で x=x になること、定数項まで含めて積分することを誤ると最小値がずれる。最後に最小値 8/3 まで代入して確認する。

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出典: 東北大学 2010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。