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東北大学 2015年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第1問

xy平面において、次の式が表す曲線をCとする。x2+4y2=1,x>0,y>0PC上の点とする。
PCに接する直線をlとし、Pを通りlと垂直な直線をmとして、
x軸とy軸とmで囲まれてできる三角形の面積をSとする。
PC上の点全体を動くとき、Sの最大値とそのときのPの座標を求めよ。

難易度6/ 10計算量6/ 10目安18

図形と方程式微分 接線・法線座標設定微分による最大最小

方針

楕円上の点を P=(cosθ,12sinθ) と置く。接線の傾きは陰関数微分で求め、法線 m の傾きを出す。mx 切片と y 切片を求めると、座標軸と作る三角形の面積が sin2θ に比例するので、最大は θ=π/4 で決まる。

解答

楕円 x2+4y2=1 の第1象限部分なので、P=(cosθ,12sinθ)(0<θ<π2)とおける。

陰関数微分により 2x+8ydydx=0 だから、P における接線 l の傾きは x4y=cosθ2sinθ である。したがって法線 m の傾きは 2tanθ である。よって m の方程式は y12sinθ=2tanθ(xcosθ) である。

x 軸との交点を求めるため y=0 とすると 12sinθ=2sinθcosθ(xcosθ) である。sinθ>0 なので割って xcosθ=14cosθ となり、x 切片は 34cosθ である。

次に y 軸との交点を求めるため x=0 とすると y12sinθ=2sinθ だから、y 切片は 32sinθ である。三角形の面積は切片の絶対値を用いてS=1234cosθ32sinθ=916sinθcosθ=932sin2θである。0<θ<π/2 では 0<2θ<π なので、S2θ=π/2、すなわち θ=π/4 のとき最大となる。

したがって最大値は 932 であり、そのとき P=(12,122) である。

別解

解法2(法線ベクトルと相加・相乗平均)

方針

点を (p,q) のまま扱い、楕円の法線方向 (p,4q) から2つの切片を直接出す。面積は pq に比例するため、楕円の式そのものへ相加・相乗平均を適用する。

解答

P=(p,q) とおく。ただしp>0,q>0,p2+4q2=1である。楕円 x2+4y2=1P における法線方向ベクトルは (p,4q) だから、法線 m(x,y)=(p,q)+λ(p,4q)と表せる。

x 軸との交点では q+4qλ=0 より λ=1/4 である。したがって x 切片はpp4=3p4である。y 軸との交点では p+pλ=0 より λ=1 であり、y 切片はq4q=3qである。

よって三角形の面積はS=123p43q=9pq8である。一方、4pqp2+4q2=1だからS932である。等号は p=2q のときに成り立つ。これと p2+4q2=1 を連立するとp=12,q=122となる。したがってSmax=932,P=(12,122)である。

総評

難度6、計算量6。目安時間は18分。楕円の第1象限を三角関数で置くと、法線の切片計算が整理される。採点点は、接線ではなく法線 m と座標軸で囲む三角形であること、y 切片が負になるため面積では絶対値を取ること、最後に sin2θ の最大として処理することである。P の座標は第1象限なので、端点ではなく内部の θ=π/4 で最大をとる。 第2解法では主解法と異なる構造を用い、同じ結論を独立に再現した。

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出典: 東北大学 2015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。