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東北大学 2018年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

実数 a0<a<4 を満たす。直線 l:y=ax と曲線C: y={x2+4x(x<4),9a(x4)(x4)を考え、C,l で囲まれる面積を S(a) とする。

(1) C,l の交点を求めよ。

(2) S(a) を求めよ。

(3) S(a) の最小値を求めよ。

難易度6/ 10計算量6/ 10目安24

積分関数 面積計算微分による最大最小、場合分け

方針

曲線 Cx=4 を境に式が変わるため、交点も2つの式で別々に求める。0<a<4 により、放物線部分との交点 x=0,4a はどちらも x<4 の範囲に入る。面積は、上下関係が変わる x=4a と曲線の式が変わる x=4 で分割して積分する。最後は得た3次式を微分し、開区間 0<a<4 での最小を調べる。

解答

(1)
まず x<4 の部分で交点を求める。 x2+4x=ax より x(x+4a)=0 である。したがって x=0,x=4a である。0<a<4 なので、どちらも x<4 の範囲に入る。

次に x4 の部分では 9a(x4)=ax である。a>0 より両辺を a で割って 9x36=x となるから x=92 である。これは x4 を満たす。

したがって交点は(0,0),(4a,a(4a)),(92,9a2)である。

(2) 0<x<4a では (x2+4x)ax=x(4ax)>0 なので、曲線 C が直線 l より上にある。4a<x<4 では直線 l が上である。また 4<x<92 では ax9a(x4)=a(368x)>0 なので、直線 l が上である。

よって面積はS(a)=04a{x2+(4a)x}dx+4a4{x2+(a4)x}dx+49/2a(368x)dxである。各項を計算すると 04ax(4ax)dx=(4a)36 であり、残りも整理して S(a)=a3+12a221a+323 を得る。

(3)
微分すると S(a)=a2+8a7=(a1)(a7) である。0<a<4 では、0<a<1S(a)<01<a<4S(a)>0 である。したがって S(a)a=1 で最小となる。

このとき S(1)=1+1221+323=223 である。よって最小値は 223 である。

別解

解法2(区間ごとの符号を一括処理)

方針

Cl を各区間で因数分解し、符号が変わる点 0,4a,4,9/2 を数直線上に並べる。絶対値積分として面積を一括して書き、最後は平方完成した導関数で増減を決める。

解答

交点方程式はx(4ax)=0(x<4),a(8x36)=0(x4)なので(0,0),(4a,a(4a)),(92,9a2)を得る。差の符号から面積はS(a)=04ax(4ax)dx+4a4x(x+a4)dx+49/2a(368x)dx=a3+12a221a+323.微分するとS(a)=(a1)(a7).0<a<4 では a=1 を境に負から正へ変わるので、最小値はS(1)=223である。

総評

難度6、目安時間24分。式が x=4 で切り替わる曲線なので、交点と面積分割を混同しないことが重要である。面積では、交点 x=4a と切替点 x=4 の両方で区切り、どちらのグラフが上かを符号で確認する必要がある。積分結果は3次式になるが、微分後の符号は a=1 だけが区間内の転換点であることを見ればよい。

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出典: 東北大学 2018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。