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東北大学 2013年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第4問

t0t1を満たす実数とする。
放物線y=x2,直線x=1,およびx軸とで囲まれた図形をA
放物線y=4(xt)2と直線y=1とで囲まれた図形をBとする。
ABの共通部分の面積をS(t)とする。

(1) S(t)を求めよ。

(2) 0t1におけるS(t)の最大値を求めよ。

難易度6/ 10計算量6/ 10目安24

積分関数 面積計算、場合分け、微分による最大最小

方針

共通部分では 0x1 の範囲で、下側が y=4(xt)2、上側が y=x2 になる。したがってまず 4(xt)2x2 を解いて積分区間を求める。上端が 2t になるか 1 で止まるかで t=1/2 を境に場合分けし、得た面積関数を各区間で最大化する。

解答

(1)
図形 A0x1,0yx2 で表される。図形 B4(xt)2y1 を満たす部分である。A の中では x21 であるから、共通部分が存在するための条件は 4(xt)2x2 である。 0x1 なので、これは x2(xt)x と同値である。よって 2t3x2t である。さらに x1 も必要だから、積分区間は 2t3xmin(2t,1) となる。この区間で共通部分の縦の長さは x24(xt)2 である。 0t12 のときは 2t1 だから、S(t)=2t/32t{x24(xt)2}dx である。被積分関数は x24(xt)2=3x2+8tx4t2 なので、S(t)=[x3+4tx24t2x]2t/32t=32t327 である。 12t1 のときは上端が 1 になるので、S(t)=2t/31{x24(xt)2}dx である。したがってS(t)=[x3+4tx24t2x]2t/31=(2t3)2(8t3)27である。

以上よりS(t)={32t327(0t12),(2t3)2(8t3)27(12t1)である。

(2) 0t12 では S(t)=32t327 であり、これは単調増加する。したがってこの区間での最大値は S(12)=427 である。 12t1 では S(t)=32t3108t2+108t2727 である。微分すると S(t)=96t2216t+10827=4(4t3)(2t3)9 である。この区間で臨界点は t=3/4 だけで、S(t)t=3/4 の前で正、後で負になる。よって最大値は S(34)=14 である。これは 4/27 より大きいので、求める最大値は 14 である。

場合分けは、交点の右端 x=2t が直線 x=1 に達するかどうかで決まる。次図の青色部分が共通部分である。

総評

難度6、目安時間24分。共通部分の上下関係を正しく読み、4(xt)2x2 から積分区間を決めることが最重要である。場合分けの境目は、交点の右端 2t が直線 x=1 に達する t=1/2 で決まる。典型ミスは、B の条件 y1 を別に複雑化してしまうこと、また最大値比較で [0,1/2] 側の端点を確認しないことである。

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出典: 東北大学 2013年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。