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東北大学 2017年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第1問

a,bを実数とする。曲線Cと直線lC:y=x24,l:y=ax+bで定める。

(1) lが点(2,0)を通り,lCがちょうど3つの共有点をもつようなa,bの条件を求めよ。

(2) lCがちょうど3つの共有点をもつような点(a,b)の軌跡をab平面上に図示せよ。

難易度7/ 10計算量7/ 10目安32

関数図形と方程式 場合分け、接線・法線グラフの概形

方針

Cx22x2x2の3部分に分け,それぞれy=x24y=4x2y=x24として交点を数える。(1)は(2,0)を通るのでb=2aとし,中央部分と右外側部分に現れる追加交点の有効範囲を調べる。(2)は共有点数が3になる仕組みを,中央弧への内点接線で1点が重なる場合と,尖点を通って左右の式の交点が重なる場合に分類する。端点では重複数が変わるため,不等号の開閉を必ず確認する。

解答

曲線Cy={x24(x2),4x2(2x2),x24(x2)である。

(1)
直線l(2,0)を通るので 0=2a+b,b=2a である。

中央部分2x2との交点は 4x2=ax+2a すなわち x2+ax+2a4=0 で決まる。この方程式はx=2を解にもち,もう一つの解はx=2aである。これが中央部分の内部にある条件は 2<2a<2 より 0<a<4 である。

外側部分との交点は x24=ax+2a すなわち x2ax2a4=0 で決まる。この方程式もx=2を解にもち,もう一つの解はx=a+2である。これが右側部分x>2にある条件はa>0である。

したがって,(2,0)のほかに中央部分の内部で1点,右側部分で1点をもつための条件は 0<a<4 である。よって b=2a,0<a<4 である。

(2)
共有点がちょうど3個になるのは,4個になり得る交点のうち1組が重なる場合である。重なり方は,中央部分y=4x2への接線になる場合,または尖点(2,0),(2,0)を通る場合に分けられる。

まず中央部分の内点x=tにおける接線を考える。y=4x2の接線の傾きは2tであるから a=2t,b=4+t2 である。2<t<2よりa<4であり,t=a/2を代入して b=4+a24,4<a<4 を得る。このとき中央部分では接点が1個に重なり,外側部分に左右1個ずつ交点があるので,共有点はちょうど3個である。

次に左の尖点(2,0)を通る場合は,(1)と同様に b=2a,0<a<4 である。

右の尖点(2,0)を通る場合はb=2aである。中央部分ではx=2のほかにx=a2,外側部分ではx=2のほかにx=a2が現れる。これらがそれぞれ中央の内部と左外側に入る条件は 4<a<0 である。したがって b=2a,4<a<0 を得る。

以上より,求める軌跡は b=4+a24(4<a<4), b=2a(0<a<4),b=2a(4<a<0) の3部分である。

別解

解法2

方針

外側と中央の交点方程式をそれぞれQ+(x)=0Q(x)=0と置く。共有点が3個になる退化を,中央部分で判別式が0になる場合と,両方の式が端点x=±2を共有する場合に代数的に分類する。

解答

外側y=x24および中央y=4x2との交点方程式をQ+(x)=x2axb4=0,Q(x)=x2+ax+b4=0とおく。ただしQ+の根はx2Qの根はx2のものだけを採用する。

(1) (2,0)を通るのでb=2aである。このときQ(x)=(x+2)(x+a2),Q+(x)=(x+2)(xa2).端点x=2のほか,中央部分にx=2a,右外側にx=a+2が現れる条件は0<a<4である。よってb=2a,0<a<4.(2) 通常は交点が偶数個ずつ現れるので,3個になるには次のどちらかの退化が必要である。

中央部分で接する場合,Qの判別式が0だからa24(b4)=0,b=4+a24.重根x=a/2が中央の内点にある条件は4<a<4である。

端点x=2を共有する場合はb=2aであり,(1)から0<a<4である。端点x=2を共有する場合は対称性によりb=2a,4<a<0.以上より軌跡はb=4+a24(4<a<4),b=2a(0<a<4),b=2a(4<a<0)の3部分である。

総評

難度7,計算量7。目安時間は32分。絶対値グラフの端点x=±2では2つの式が同じ点を表すため,方程式の解の個数をそのまま足すと過大計数になる。接線で交点が重なる場合と尖点で重なる場合を分け,端点a=±4,0を除く理由まで書けるかが得点差になる。図示では放物線状の弧と2本の線分状の軌跡を,開区間で示すことが重要である。

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出典: 東北大学 2017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。