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東北大学 2020年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第1問

関数f(x)=x42x2+4xを考える。
直線y=g(x)は曲線y=f(x)と異なる2点P,Qで接し,
2次関数h(x)が定める放物線y=h(x)P,Qおよび原点Oを通るとする。

(1) 関数g(x)h(x)を求めよ。

(2) 曲線y=f(x)と放物線y=h(x)で囲まれる図形の面積を求めよ。

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20

微分積分関数 接線・法線恒等式比較面積計算

方針

共通接線を g(x)=mx+c、2つの接点の x 座標を r,s とする。f(x)g(x)r,s をそれぞれ重解にもつことから完全な4次式として係数比較する。放物線 h は3点条件で決め、面積は hf=x2(1x2) を表示積分する。

解答

(1)

共通接線を g(x)=mx+c、異なる2接点の x 座標を r,s とする。f(x)g(x)x=r,s をそれぞれ重解にもつので、f(x)g(x)=(xr)2(xs)2と書ける。一方、f(x)g(x)=x42x2+(4m)xc.右辺の x3 の係数を比較すると r+s=0 である。したがって右辺の x の係数も0となり、4m=0、すなわち m=4 である。

s=r を用いると(xr)2(x+r)2=x42r2x2+r4.係数比較から r2=1c=1 を得る。よってg(x)=4x1.接点はP=(1,3),Q=(1,5)である。

h(x)=ux2+vx とおく。P,Q を通る条件はu+v=3,uv=5だから u=1,v=4 であり、h(x)=x2+4xである。

(2) h(x)f(x)=x2x4=x2(1x2).交点の x 座標は 1,0,1 で、1x1 では h(x)f(x) である。したがって求める面積は11{h(x)f(x)}dx=11(x2x4)dx=201(x2x4)dx=2(1315)=415.

別解

解法2(接線の傾きと切片を比較する方法)

方針

接点 x=u における接線の傾き f(u) と切片 f(u)uf(u) を関数として表す。異なる2点 r,s で両者が一致する条件を連立し、接点を決定する。

解答

(1)

x=u における接線の傾きと切片はf(u)=4u34u+4,f(u)uf(u)=3u4+2u2である。異なる r,s で同じ接線になるにはf(r)=f(s),f(r)rf(r)=f(s)sf(s)が必要十分である。

rs を用いて第1式を整理するとr2+rs+s2=1.第2式は(r2s2){23(r2+s2)}=0となる。もし r2+s2=2/3 なら、前式から rs=1/3 であり、(rs)2=r2+s22rs=0となって rs に反する。よって r2=s2、したがって r+s=0 である。これを r2+rs+s2=1 に代入して r2=1 を得る。接点は r,s=1,1 である。

傾きと切片を代入するとg(x)=4x1.また O,(1,3),(1,5) を通る二次関数を求めればh(x)=x2+4xとなる。

(2)

2曲線の上下差はh(x)f(x)=x2(1x2)であるから、11x2(1x2)dx=201(x2x4)dx=415.

総評

難度6、計算量5。想定時間は20分程度。共通接線が2点で接することを「差が2つの重解をもつ」と翻訳できるかが核心である。4次式が最高次係数1なので定数倍を付けずに (xr)2(xs)2 と置ける。面積では x=0 は接しているだけだが、[1,1] 全体で上下関係が変わらないことを因数分解から確認する。

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出典: 東北大学 2020年度 後期 文系第3問・理系第1問(未実施問題)(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。