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東北大学 2021年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第4問

bは実数とする。f(x)=x2+bに対し曲線y=f(x)Cとおく。

(1) 曲線Cと円x2+y2=1が異なる4個の交点をもつようなbの値の範囲を求めよ。

(2) bが(1)で求めた値の範囲にあるとき,
曲線Cと円x2+y2=1の4個の交点のx座標を±α,±β (0<β<α)とする。
曲線Cと直線y=f(α)y=f(β)で囲まれた領域をy軸のまわりに一回転させてできる
立体の体積をbを用いて表せ。

難易度7/ 10計算量6/ 10目安24

微分積分図形と方程式 場合分け、体積計算文字消去

方針

交点では y=x2+b を円の方程式に代入し,u=x2 とおいて2次方程式に直す。異なる4交点をもつには,この2次方程式が異なる2つの正の解をもてばよいので,解の和,積,判別式を調べる。体積は y 軸まわりの回転体として水平断面で考え,高さ y における半径が by であることを用いる。α2,β2 は交点方程式の2解なので,和と差で最終式を整理する。

解答

(1)

交点では y=x2+b かつ x2+y2=1 である。u=x2 とおくと y=bu なので u+(bu)2=1 である。整理して u2+(12b)u+b21=0 を得る。

円と曲線が異なる4個の交点をもつためには,この u の2次方程式が異なる2つの正の解をもてばよい。解の和は 2b1 であり,解の積は b21 である。また判別式は (12b)24(b21)=54b である。したがって必要十分条件は 2b1>0,b21>0,54b>0 である。これらを合わせると 1<b<54 である。

(2) α2,β2 は,(1) で得た2次方程式 u2+(12b)u+b21=0 の2つの正の解であり,0<β<α である。したがって根と係数の関係より α2+β2=2b1 である。また2解の差は判別式の平方根に等しいので α2β2=54b である。

曲線 C:y=x2+bx2=by と書ける。高さ y での水平断面を y 軸のまわりに回転すると,半径 by の円板になる。領域の下端と上端はそれぞれ y=f(α)=bα2,y=f(β)=bβ2 である。したがって体積 VV=πbα2bβ2(by)dyである。

ここで u=by とおくとV=πβ2α2udu+=π2(α4β4)である。よってV=π2(α2β2)(α2+β2)=π2(2b1)54bである。

別解

解法2(円筒殻に分けて体積を求める方法)

方針

交点条件は解法1と同様に u=x2 の2次方程式で処理する。体積は半径 x の円筒殻に分け、0xββxα で殻の高さを分ける。

解答

(1) u=x2 とおくと交点条件はu2+(12b)u+b21=0である。異なる2つの正の解をもつ条件は、解の和・積・判別式から2b1>0,b21>0,54b>0.よって1<b<54.(2) 根と係数の関係からα2+β2=2b1,α2β2=54b.半径 x の円筒殻の高さは、0xβ では α2β2βxα では α2x2 である。したがってV=2π0βx(α2β2)dx+2πβαx(α2x2)dx=π2(α2β2)(α2+β2).ゆえにV=π2(2b1)54b.

総評

難度7、計算量6。想定時間は24分程度。円と放物線の交点数を u=x2 の2次方程式で判定し,その2解を体積計算にも利用する問題である。4交点条件では「正の異なる2解」が必要なので,和・積・判別式をすべて確認する。回転体の体積は水平断面の円板で考えると,半径の2乗が by になり計算が短くなる。最後は α2±β2 を根と係数・判別式で置き換えるのが要点である。 水平断面の円板法と縦の円筒殻法の2通りで体積を計算し、α2±β2 だけで同じ式に整理できることを確認した。

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出典: 東北大学 2021年度 後期 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。