方針
0 ≦ t ≦ 1 0 ≦ t ≦ 1 では x = t x = t を境に x 2 − t 2 x 2 − t 2 の符号が変わるので、積分区間を [ 0 , t ] [ 0 , t ] と [ t , 1 ] [ t , 1 ] に分ける。t ≧ 0 t ≧ 0 全体で最小を求めるため、0 ≦ t ≦ 1 0 ≦ t ≦ 1 で得た3次式の増減と、t ≧ 1 t ≧ 1 で絶対値が常に t 2 − x 2 t 2 − x 2 になる場合を別々に確認し、最後に値を比較する。
解答
(1) 0 ≦ t ≦ 1 0 ≦ t ≦ 1 とする。0 ≦ x ≦ t 0 ≦ x ≦ t では x 2 − t 2 ≦ 0 x 2 − t 2 ≦ 0 、t ≦ x ≦ 1 t ≦ x ≦ 1 では x 2 − t 2 ≧ 0 x 2 − t 2 ≧ 0 である。したがって F ( t ) = ∫ 0 t ( t 2 − x 2 ) d x + ∫ t 1 ( x 2 − t 2 ) d x F ( t ) = ∫ 0 t ( t 2 − x 2 ) d x + ∫ t 1 ( x 2 − t 2 ) d x である。
第1項は ∫ 0 t ( t 2 − x 2 ) d x = [ t 2 x − x 3 3 ] 0 t = 2 3 t 3 ∫ 0 t ( t 2 − x 2 ) d x = [ t 2 x − 3 x 3 ] 0 t = 3 2 t 3 である。第2項は∫ t 1 ( x 2 − t 2 ) d x = [ x 3 3 − t 2 x ] t 1 = 1 3 − t 2 + 2 3 t 3 ∫ t 1 ( x 2 − t 2 ) d x = [ 3 x 3 − t 2 x ] t 1 = 3 1 − t 2 + 3 2 t 3 である。よって F ( t ) = 1 3 − t 2 + 4 3 t 3 F ( t ) = 3 1 − t 2 + 3 4 t 3 となる。
(2) まず 0 ≦ t ≦ 1 0 ≦ t ≦ 1 で考える。(1) より F ′ ( t ) = − 2 t + 4 t 2 = 2 t ( 2 t − 1 ) F ′ ( t ) = − 2 t + 4 t 2 = 2 t ( 2 t − 1 ) である。したがって F ( t ) F ( t ) は 0 < t < 1 2 0 < t < 2 1 で減少し、1 2 < t < 1 2 1 < t < 1 で増加する。よってこの範囲での最小は t = 1 2 t = 2 1 でとられ、その値は F ( 1 2 ) = 1 3 − 1 4 + 4 3 ⋅ 1 8 = 1 4 F ( 2 1 ) = 3 1 − 4 1 + 3 4 ⋅ 8 1 = 4 1 である。
次に t ≧ 1 t ≧ 1 とする。このとき 0 ≦ x ≦ 1 0 ≦ x ≦ 1 で常に x 2 − t 2 ≦ 0 x 2 − t 2 ≦ 0 なので F ( t ) = ∫ 0 1 ( t 2 − x 2 ) d x = t 2 − 1 3 F ( t ) = ∫ 0 1 ( t 2 − x 2 ) d x = t 2 − 3 1 である。これは t ≧ 1 t ≧ 1 で単調増加し、最小値は t = 1 t = 1 のとき F ( 1 ) = 2 3 F ( 1 ) = 3 2 である。 1 4 < 2 3 4 1 < 3 2 だから、t ≧ 0 t ≧ 0 全体で F ( t ) F ( t ) を最小にする値は T = 1 2 T = 2 1 であり、最小値は F ( T ) = 1 4 F ( T ) = 4 1 である。
別解 解法2
方針
(1) で得た式を使い、微分せずに最小値との差を因数分解する。0 ≦ t ≦ 1 0 ≦ t ≦ 1 では F ( t ) − 1 / 4 F ( t ) − 1/4 が平方因子をもつことを示し、t ≧ 1 t ≧ 1 では F ( t ) = t 2 − 1 / 3 F ( t ) = t 2 − 1/3 を直接評価して全範囲を比較する。
解答
(1) 0 ≦ t ≦ 1 0 ≦ t ≦ 1 では x = t x = t の前後で符号が変わるからF ( t ) = ∫ 0 t ( t 2 − x 2 ) d x + ∫ t 1 ( x 2 − t 2 ) d x = 1 3 − t 2 + 4 3 t 3 . F ( t ) = ∫ 0 t ( t 2 − x 2 ) d x + ∫ t 1 ( x 2 − t 2 ) d x = 3 1 − t 2 + 3 4 t 3 . (2)0 ≦ t ≦ 1 0 ≦ t ≦ 1 では、候補値 1 / 4 1/4 との差を取るとF ( t ) − 1 4 = 16 t 3 − 12 t 2 + 1 12 = ( 2 t − 1 ) 2 ( 4 t + 1 ) 12 ≧ 0. F ( t ) − 4 1 = 12 16 t 3 − 12 t 2 + 1 = 12 ( 2 t − 1 ) 2 ( 4 t + 1 ) ≧ 0. ここで 4 t + 1 > 0 4 t + 1 > 0 だから、等号は t = 1 / 2 t = 1/2 のときに限る。
一方、t ≧ 1 t ≧ 1 では x 2 − t 2 ≦ 0 ( 0 ≦ x ≦ 1 ) x 2 − t 2 ≦ 0 ( 0 ≦ x ≦ 1 ) なのでF ( t ) = ∫ 0 1 ( t 2 − x 2 ) d x = t 2 − 1 3 ≧ 2 3 > 1 4 . F ( t ) = ∫ 0 1 ( t 2 − x 2 ) d x = t 2 − 3 1 ≧ 3 2 > 4 1 . したがって全範囲 t ≧ 0 t ≧ 0 でT = 1 2 , F ( T ) = 1 4 T = 2 1 , F ( T ) = 4 1 である。
総評
絶対値付き定積分を分割し、得られた関数の全体最小を求める基礎問題。目安時間は15〜18分。公式講評が指摘する最大の落とし穴は、積分変数 x x と自由変数 t t の混同、および(1)と範囲の異なる t ≧ 1 t ≧ 1 の検討漏れである。微分法でも因数分解による直接評価でも、最後は各範囲の最小値を比較して1つの結論に統合する。
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東北大の積分の問題
出典: 東北大学 2022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。