第1問

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まぁとりあえず図を描きましょう。 
(1)
直線PHの傾きは-1になるので、その方程式は
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf y-\sqrt t=-(x-t)\end{align*}}$
これと直線y=xとの交点を求めると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf H \left( \frac{t+\sqrt t}{2}\ ,\ \frac{t+\sqrt t}{2}\right)\end{align*}}$
(2)
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf a= \frac{t+\sqrt t}{2}\end{align*}}$
とおくと、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf S_1=\frac{1}{2}(a+1)(a-1)\ +\ \frac{1}{2}\left( \sqrt t +a\right)(t-a)\ -\ \int_1^t \sqrt x \ dx\end{align*}}$
これを計算すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf S_1=\frac{1}{4}t^2-\frac{1}{6}t\sqrt t -\frac{1}{4}t+\frac{1}{6}\end{align*}}$

上の解答では右図のように、
S1=(赤色の台形)+(青色の台形)-(緑色の部分)
と考えて求めています。
(3)
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf S_2=\int_0^1 \left(\sqrt x-x \right)dx=\left[\frac{2}{3}x^{\frac{3}{2}}-\frac{1}{2}x^2 \right]_0^1=\frac{1}{6}\end{align*}}$
S1=S2より、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{1}{4}t^2-\frac{1}{6}t\sqrt t -\frac{1}{4}t+\frac{1}{6}=\frac{1}{6}\end{align*}}$
t≠0なので、両辺をtで割ると
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{1}{4}t-\frac{1}{6}\sqrt t -\frac{1}{4}=0\end{align*}}$
となり、これを解くと、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \sqrt t =\frac{1+\sqrt 10}{3}\ (\gt 0)\end{align*}}$
よって、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf t =\frac{11+2\sqrt 10}{9}\end{align*}}$
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第2問
aを正の定数とする。以下の問いに答えよ。
(1) 関数f(x)=(x2+2x+2-a2)e-xの極大値および極小値を求めよ。
(2) x≧3のとき、不等式x3e-x≦27e-3が成り立つことを示せ。
さらに極限
$\small\sf{\begin{align*}\sf \lim_{\rm x \to \infty}\sf x^2e^{-x}\end{align*}}$
を求めよ。
(3) kを定数とする。y=x2+2x+2のグラフとy=kex+a2のグラフが
異なる3点で交わるための必要十分条件を、aとkを用いて表せ。
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なかなかうまく問題が作られているなぁと感心しています。
(1)
f'(x)=(2x+2)e-x-(x2+2x+x-a2)e-x
=-(x2-a2)e-x
a>0より、x=±aでf'(x)=0となり、f(x)の増減表は下の通り。
x | ・・・ | -a | ・・・ | a | ・・・ |
---|
f'(x) | - | 0 | + | 0 | - |
---|
f(x) | ↘ | 極小 | ↗ | 極大 | ↘ |
---|
よって、x=aで極大 (2a+2)e-a
x=-aで極小 (-2a+2)ea
(2)
g(x)=x3e-xとおくと、
g'(x)=3x2e-x-x3e-x =(3-x)x2e-x
x≧3の範囲で増減表を書くと、
よって、x≧3でx3e-x≦27e-3・・・・・①
ここで、x>0より①の両辺をxで割ると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf 0\ <\ x^2e^{-x}\ \leqq \ \frac{27e^{-3}}{x}\end{align*}}$
となり、$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf\lim_{\sf x \to \infty}\sf \frac{27e^{-3}}{x}=0\end{align*}}$
なので、はさみうちの原理より
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf\lim_{\sf x \to \infty}\sf x^2e^{-x}=0\end{align*}}$
問題をつくった教授の意図をちゃんと くみ取れましたか??
(3)
y=x2+2x+2とy=kex+a2の交点を求める。
x2+2x+2=kex+a2
⇔(x2+2x+2-a2)e-x=k
よって、y=f(x)のグラフと直線y=kのグラフが異なる3点で交わればよい。
まず、(2)より$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf\lim_{\sf x \to \infty}\sf x^2e^{-x}=0\end{align*}}$
なので、$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf\lim_{\sf x \to \infty}\sf f(x)=0\end{align*}}$
また、$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf\lim_{\sf x \to -\infty}\sf 2e^{-x}=+\infty\end{align*}}$
なので、$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf\lim_{\sf x \to -\infty}\sf f(x)=+\infty\end{align*}}$
これらをもとにf(x)の増減表を書くと、
x | -∞ | ・・・ | -a | ・・・ | a | ・・・ | +∞ |
---|
f'(x) | | - | 0 | + | 0 | - | |
---|
f(x) | +∞ | ↘ | (-2a+2)ea | ↗ | (2a+2)e-a | ↘ | 0 |
---|
(ⅰ) a≧1のとき
下左図より、極小≦0なので、0<k<(2a+2)e-a
(ⅱ) 0<a<1のとき
下右図より、極小>0なので、(-2a+2)ea<k<(2a+2)e-a

うまく(1)、(2)から繋がりましたね。最後の場合分けまで気を抜かないように!
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