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東北大学 2017年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第2問

23a+7b=0を満たす実数a,b(a>0)に対し,関数F(x)をF(x)=∫x2x+1at+b3 dtで定める。F(x)の最小値と,そのときのxの値を求めよ。

難易度6/ 10計算量5/ 10目安27分

積分、微分 置換、微分による最大最小、定積分評価

方針

条件23a+7b=0からb=−23a/7とし,積分の上端・下端がxに依存する関数として微分する。F′(x)=0は実数の3乗根の単調性を使って3乗して解く。さらにF′(x)の符号は,両辺を3乗した差の符号と一致するため,x=1で最小になることを示せる。最小値はt−23/7をそのまま積分し,負の範囲での3乗根の扱いに注意して評価する。

解答

条件23a+7b=0より b=−237a である。したがって at+b=a(t−237) である。

上端,下端がxに依存する定積分を微分すると F′(x)=2{a(2x+1)+b}1/3−{ax+b}1/3 である。a>0を用いてF′(x)=a3{2(2x−167)1/3−(x−237)1/3}と書ける。 F′(x)=0は 2(2x−167)1/3=(x−237)1/3 である。両辺を3乗して 8(2x−167)=x−237 を得る。整理すると 15x=15 より x=1 である。

また,実数U,VについてU−VとU3−V3の符号は一致する。したがってF′(x)の符号は 8(2x−167)−(x−237)=15(x−1) の符号と一致する。よってF(x)はx<1で減少し,x>1で増加するので,最小値はx=1でとる。

最小値はF(1)=∫13{a(t−237)}1/3dt=a3∫13(t−237)1/3dtである。よってF(1)=3a34[(t−237)4/3]13となる。1−23/7=−16/7,3−23/7=−2/7よりF(1)=3a34{(27)4/3−(167)4/3}=−45142a73である。

したがって,最小値は −45142a73 であり,そのとき x=1 である。

別解

解法2

方針

実数全体で使える原始関数H(u)=34(u3)4を導入し,まずF(x)を端点値の差として明示する。その式を微分して増減を判定する。

解答

b=−23a/7である。実数uに対してH(u)=34(u3)4とおくとH′(u)=u3である。したがってF(x)=a3{H(2x−167)−H(x−237)}.これを微分してF′(x)=a3{22x−1673−x−2373}.F′(x)=0の両辺を3乗すると8(2x−167)=x−237,よってx=1である。また3乗関数は単調増加なので,F′(x)の符号は8(2x−167)−(x−237)=15(x−1)の符号に一致する。したがってx=1で最小となる。

このときF(1)=a3{H(−27)−H(−167)}=3a34{(27)4/3−(167)4/3}=−45142a73.よって最小値は−45142a73,そのときx=1である。

総評

難度6,計算量5。目安時間は27分。変数端点をもつ定積分の微分と,実数の3乗根の単調性を正しく扱う問題である。F′(x)=0を3乗するだけでなく,その後に符号変化を確認して最小であることを述べる必要がある。最小値の計算では積分区間全体でt−23/7<0なので,3乗根の符号と(⋅)4/3の扱いを落ち着いて処理したい。

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出典: 東北大学 2017年度 後期 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。