方針
曲線 は を境に式が変わるため、交点も2つの式で別々に求める。 により、放物線部分との交点 はどちらも の範囲に入る。面積は、上下関係が変わる と曲線の式が変わる で分割して積分する。最後は得た3次式を微分し、開区間 での最小を調べる。
解答
(1)
まず の部分で交点を求める。 より である。したがって である。 なので、どちらも の範囲に入る。
次に の部分では である。 より両辺を で割って となるから である。これは を満たす。
したがって交点はである。
(2) では なので、曲線 が直線 より上にある。 では直線 が上である。また では なので、直線 が上である。
よって面積はである。各項を計算すると であり、残りも整理して を得る。
(3)
微分すると である。 では、 で 、 で である。したがって は で最小となる。
このとき である。よって最小値は である。
別解
解法2(区間ごとの符号を一括処理)
方針
差 を各区間で因数分解し、符号が変わる点 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
交点方程式はなのでを得る。差の符号から面積は微分すると では を境に負から正へ変わるので、最小値はである。
総評
難度6、目安時間24分。式が 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 と切替点 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 だけが区間内の転換点であることを見ればよい。