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東北大学 2019年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第1問

次の等式を満たす実数aをすべて求めよ。01x2axdx=13

難易度3/ 10計算量4/ 10目安10

積分 絶対値の処理、場合分け、定積分評価

方針

x2ax=x(xa) の符号が変わる位置によって、a00a1a1 の3つに分ける。それぞれ絶対値を外して積分し、得られた方程式をその場合の範囲条件と照合する。境界 a=0,1 は重複してよいが、最後に解として残るかを確認する。

解答

x2ax=x(xa) であり、符号は a の位置によって変わる。

a0 の場合01x2axdx=01(x2ax)dx=13a2.これが 1/3 に等しいので a=0 である。

0a1 の場合01x2axdx=0a(axx2)dx+a1(x2ax)dx=13a2+a33.これが 1/3 に等しい条件はa(2a23)=0.範囲内で残るのは a=0 だけである。

a1 の場合01x2axdx=01(axx2)dx=a213.これが 1/3 に等しいので a=4/3 である。したがってa=0,43.

別解

解法2(基準値との大小で候補を絞る)

方針

積分をI(a)=01xxadxと見る。a<00<a1 では I(0)=1/3 との大小を先に判定し、残る a1 だけを計算する。

解答

求める積分をI(a)=01xxadxとおく。

まず a<0 なら、0<x1xa=xa>x だからI(a)>01x2dx=13.a=0 では等号が成り立つ。

次に 0<a1 ではI(a)=0ax(ax)dx+a1x(xa)dx=13a2+a33.ここで 0<a1 なら a3/3a/3<a/2 なのでI(a)<13.したがってこの範囲に解はない。

最後に a1 ならI(a)=01x(ax)dx=a213.これが 1/3 に等しい条件はa=43.ゆえにa=0,43である。

総評

難度3、目安時間10分。絶対値付き積分の基本問題で、符号が変わる位置 x=a が区間 [0,1] のどこにあるかで場合分けする。0a1 の場合だけ積分区間を2つに分ける必要がある。候補を出したあと、その候補が自分の仮定した範囲に入っているかを確認することが採点上重要である。

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出典: 東北大学 2019年度 後期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。