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東北大学 2026年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第1問

座標平面上の放物線y=x2Cとする。以下の問いに答えよ。

(1) 正の実数uに対し,放物線Cの接線で点(u,u1)を通るものがちょうど2本あることを示せ。

(2) 正の実数uに対し,放物線Cの相異なる2本の接線で
(u,u1)を通るものをl1,l2とする。
放物線Cと直線l1の接点をP1とし,放物線Cと直線l2の接点をP2とする。
このとき,線分P1P2の垂直二等分線my軸と交わることを示せ。
また,uが正の実数全体を動くとき,直線my軸の交点のy座標q(u)の最小値と,
それを与えるuの値を求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15

図形と方程式微分関数 接線・法線判別式座標設定微分による最大最小

方針

放物線上の接点を (v,v2) とおくと,その点での接線は y=2vxv2 で表される。点 (u,u1) を通る条件から,接点の x 座標が満たす2次方程式を作り,2つの接点の座標を根と係数の関係で扱う。接点を直接求める必要はなく,和と積だけで線分の傾きと中点が計算できる。最後に,垂直二等分線の y 軸との交点 q(u)u の2次式として表し,平方完成で最小値を求める。

解答

(1) 放物線 y=x2 上の点を (v,v2) とする。この点における接線は,y=2v(xv)+v2=2vxv2 である。この接線が点 (u,u1) を通るための条件は u1=2uvv2 すなわち v22uv+u1=0 である。

この2次方程式の判別式は(2u)24(u1)=4(u2u+1)=4{(u12)2+34}>0であるから,この方程式は相異なる2実根をもつ。各根 v に対して接線 y=2vxv2 が一意に定まり,相異なる根からは傾きの異なる接線が得られる。したがって,条件を満たす接線はちょうど2本である。

(2) 2つの根を v1,v2 とおくと,根と係数の関係より v1+v2=2u,v1v2=u1 である。

2つの接点を P1=(v1,v12),P2=(v2,v22) とする。線分 P1P2 の傾きは v12v22v1v2=v1+v2=2u である。したがって,その垂直二等分線の傾きは 12u である。ここで u>0 なので,この値は定義できる。

次に,線分 P1P2 の中点を M とする。中点の座標は M=(v1+v22,v12+v222) であり,v1+v22=u またv12+v222=(v1+v2)22v1v22=4u22(u1)2=2u2u+1である。よって M=(u,2u2u+1) である。

垂直二等分線は点 M を通り,傾き 1/(2u) をもつので,y(2u2u+1)=12u(xu) と表される。この直線と y 軸との交点では x=0 であるから,その y 座標を q(u) とすると q(u)=2u2u+1+12=2u2u+32 である。

これを平方完成すると,q(u)=2(u14)2+118 となる。条件 u>0 の範囲に u=1/4 は含まれる。したがって,q(u) の最小値は 118 であり,それを与えるのは u=14 である。

総評

難易度は5/10の標準問題で,文系・理系ともに12〜15分で完答したい必答級である。(1)は接点を v とおいた接線の式,判別式が常に正であること,相異なる根が相異なる接線を与えることが主な採点点になる。(2)は根と係数の関係から P1P2 の傾きと中点を出し,u>0 により垂直二等分線の傾きが有限で y 軸と交わることを確認してから切片を最小化する。点 (u,u1) 自体を接点と思い込むこと,判別式の正値を図だけで済ませること,最後に定義域 u>0 を確認しないことが典型的な失点である。

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出典: 東北大学 2026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。