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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2問

xy平面において,放物線C:y=−12x2の2つの接線l1,l2が
点Pにおいて直交するとする。ただし,l1の傾きはl2の傾きより大きいとする。

(1) 点Pのx座標をaとするとき,接線l1,l2の傾きをそれぞれ求めよ。

(2) 放物線Cと接線l1,l2の接点をそれぞれQ1,Q2とする。
△PQ1Q2の面積が8となるような点Pの座標をすべて求めよ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安18分

微分、図形と方程式 接線・法線、座標設定、面積計算

方針

放物線 y=−12x2 の x=u における接線をパラメータ表示する。2接線の接点を u,v とすると、直交条件は uv=−1、交点の x 座標は a=u+v2 になる。面積は、接線2本の交点 P と接点 Q1,Q2 の座標を u,v で表して行列式で求め、uv=−1 を用いて (a2+1)3/2 に整理する。

解答

(1)
放物線 C:y=−12x2 の x=u における接線を求める。導関数は y′=−x なので、傾きは −u である。接点は (u,−12u2) だから、接線は y=−u(x−u)−12u2=−ux+12u2 である。

2つの接点の x 座標を u,v とする。2接線が直交するので、傾きの積から (−u)(−v)=uv=−1 である。また2接線の交点の x 座標を a とすると −ua+12u2=−va+12v2 より a=u+v2 である。したがって u,v は X2−2aX−1=0 の2解であり、u=a−a2+1,v=a+a2+1 である。接線の傾きはそれぞれ −u,−v である。l1 の傾きが l2 の傾きより大きいので l1,l2 の傾きはそれぞれ −a+a2+1,−a−a2+1 である。

(2)
交点 P の y 座標を求める。a=u+v2 を接線 y=−ux+12u2 に代入すると y=−uu+v2+12u2=−uv2=12 である。したがって P=(a,12) である。

接点は Q1=(u,−12u2),Q2=(v,−12v2) である。三角形の面積を行列式で求めると[△PQ1Q2]=12∣det⁡(u−a−12u2−12v−a−12v2−12)∣=18∣v−u∣3である。ここで v−u=2a2+1 だから [△PQ1Q2]=(a2+1)3/2 である。

これが8に等しいので (a2+1)3/2=8 であり、a2+1=4 となる。したがって a=±3 である。よって求める点 P は P=(3,12),(−3,12) である。

別解

解法2(接線の傾きを直接変数にする)

方針

傾き m の接線は接点 x=−m をもち、式は y=mx+m2/2 となる。2つの傾きの積と和を交点の座標から求め、面積をその2根の差で表す。

解答

(1)
傾き m の接線の接点は x=−m であり、接線はy=mx+m22である。2本の傾きを m1>m2 とする。直交条件からm1m2=−1.また交点の x 座標が a なのでm1a+m122=m2a+m222,よってm1+m2=−2a.したがって m1,m2 はm2+2am−1=0の2解であり、m1=−a+a2+1,m2=−a−a2+1.(2)
接点はQi=(−mi,−mi22)である。交点の y 座標はm1a+m122=−m1m22=12だから P=(a,1/2) である。

座標の行列式を計算すると[△PQ1Q2]=18∣m1−m2∣3.ここで∣m1−m2∣=2a2+1であるから[△PQ1Q2]=(a2+1)3/2.これが8となる条件は a2+1=4、すなわち a=±3 である。したがってP=(3,12),P=(−3,12).

総評

難度5、目安時間18分。接線を接点の x 座標で表すと、直交条件と交点座標がきれいに整理される。uv=−1 と a=u+v2 から2接点を決める流れが中心である。面積計算は省略されがちだが、P の y 座標が常に 12 になること、面積が 14∣v−u∣3 になることを示すと、最後の最大計算が明確になる。

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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。