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東北大学 2013年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第1問

a1を満たす実数aに対して,2つの放物線C:y=x2axaD:y=ax2+axを考える。

(1) 2つの放物線CDが異なる2点で交わるようなaの値の範囲を求めよ。

(2) aが(1)で求めた範囲にあるとき,CDの2つの交点を通る直線の傾きをmとする。
mが最大になるようにaの値を定め,そのときのmの値を求めよ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安20

方程式・不等式図形と方程式微分 判別式接線・法線微分による最大最小

方針

2つの放物線の交点の x 座標を求める方程式を作り、a=1 で一次式になる場合を先に分ける。a>1 では判別式で異なる2点を確認する。交点を結ぶ直線の傾きは、放物線 D 上の2点 u,v に対する差商 a(u+v)+a で表し、解と係数の関係で a だけの関数にして最大化する。

解答

(1)
交点の x 座標は x2axa=ax2+ax を満たす。整理すると (1a)x22axa=0 である。 a=1 のとき、この方程式は 2x1=0 となり、交点は1個だけである。したがって異なる2点で交わるためには a>1 の場合を考えればよい。 a>1 のときは2次方程式であり、判別式を Δ とすると Δ=(2a)24(1a)(a)=4a2+4a(1a)=4a である。a>1 では Δ>0 なので、異なる2つの実数解をもつ。よって求める範囲は a>1 である。

(2)
2つの交点の x 座標を u,v とする。(1) の2次方程式について、解と係数の関係より u+v=2a1a である。

交点は放物線 D:y=ax2+ax 上にもあるので、2交点を結ぶ直線の傾き mm=(av2+av)(au2+au)vu である。uv だから、m=a(u+v)+a となる。したがって m=a2a1a+a=a(a+1)1a である。 a>1 なので、s=a1 とおくと s>0 であり、m=a(a+1)a1=(s+1)(s+2)s=(s+3+2s)である。s>0 に対して s+2s22 であり、等号は s=2 のときに成り立つ。よって m が最大となるのは s=2,a=1+2 のときである。このとき m=(3+22) である。

総評

難度5、目安時間20分。交点条件では a=1 のときだけ二次方程式でなくなるため、ここを分けておくと答案が安定する。傾き m は交点座標を直接求めず、u+v だけで表すのが採点上の見せ場である。典型ミスは 1a の符号を落として m の最大・最小を逆にすること、また a>1 の条件を使わずに相加相乗平均を適用することである。

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出典: 東北大学 2013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。