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東北大学 2019年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第1問

a, b, cを実数とし,aは0でないとする。
xy平面上の直線y=axと放物線y=x2+aが相異なる2点P(b, ab),Q(c, ac)で交わっているとする。
c=b2,b<0のとき,aとbを求めよ。

難易度3/ 10計算量3/ 10目安8分

図形と方程式、方程式・不等式 解と係数の関係、式変形

方針

交点の x 座標 b,c は、直線と放物線を連立して得られる二次方程式の2解である。解と係数の関係から b+c=a、bc=a を得て、条件 c=b2 を代入する。すると a=b+b2=b3 となるので、b の二次方程式に帰着し、最後に b<0 で根を選ぶ。

解答

直線と放物線の交点では ax=x2+a が成り立つ。したがって交点の x 座標は x2−ax+a=0 の解である。2つの交点の x 座標が b,c なので、解と係数の関係より b+c=a,bc=a である。

条件 c=b2 を用いると a=b+c=b+b2 であり、また a=bc=b⋅b2=b3 である。よって b+b2=b3 すなわち b(b2−b−1)=0 である。条件 b<0 より b=0 は不適であり、b2−b−1=0 の負の解を取ればよい。したがって b=1−52 である。

このとき a=b3=b(b2)=b(b+1)=b2+b=(b+1)+b=2b+1 であるから a=2−5 である。

別解

解法2(2つの接点条件を直接消去する)

方針

x=b と x=c=b2 がともに交点であることを、それぞれ直線と放物線の式へ直接代入する。得られた2通りの a を比較して b だけの方程式にする。

解答

点 P が両曲線上にあるからab=b2+a,a=b2b−1.ここで b<0 なので b−1≠0 である。

また c=b2 であり、点 Q も両曲線上にあるからab2=b4+a,a=b4b2−1.b=−1 は最初の式を満たさないので b2−1≠0 としてよい。2つの a を等置するとb2b−1=b4(b−1)(b+1).b≠0 を用いて整理すればb2=b+1.したがってb=1±52.条件 b<0 からb=1−52.さらに a=b+b2=2b+1 だからa=2−5.このとき a≠0 であり、2つの交点も相異なる。

総評

難度3、目安時間8分。二次方程式の解と係数の関係を使う取り切り問題である。c=b2 を代入したあと、a=b+b2 と a=b3 の2通りの表現を作るのが最短である。b<0 の条件で根を選ぶこと、最後に a まで戻すことを忘れない。計算後、a=2−5≠0 で問題の条件にも合うことを確認できる。

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出典: 東北大学 2019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。