第2問
aを実数とする。円Cは点(a,-a)で直線y=-xを接線にもち、点(0,1)を通るものとする。
Cの中心をP(X,Y)として、以下の問いに答えよ。
(1) X、Yをaを用いて表せ。
(2) aが動くときの点Pの軌跡と直線y=1で囲まれる図形の面積を求めよ。
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(1)は色々な式が作れそうですので、まぁ適当にいじっていれば解けそうですが。
(1)
A(a,-a)、B(0,1)とおくと、PA2=PB2なので、
(X-a)2+(Y+a)2=X2+(Y-1)2
これを整理すると、
x2-2XY+Y2-4Y+2=0・・・・・・①
また、直線PAとy=-xは直交するので、
PAの傾きは1である。
よって、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{Y-(-a)}{X-a}=1\end{align*}}$
すなわち、
X=Y+2a・・・・・・②
これを①に代入して整理すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf Y=a^2+\frac{1}{2}\end{align*}}$
②より
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf X=a^2+2a+\frac{1}{2}\end{align*}}$
①が表す曲線の概形についてですが、点Pは、直線y=-xと点Bから
等しい距離にある点なので、直線y=-xを準線、点Bを焦点とする放物線上を動きます。
放物線の定義ですね。
ということに気づかなくても、面積を求めるだけならば下の解答のように、直線y=1との
上下関係だけ調べればOKです。間違っても微分なんかししちゃダメですよ!!
(2)
Y=1となるのは、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf Y=a^2+\frac{1}{2}=1\end{align*}}$
より、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf a=\pm \frac{1}{\sqrt 2}\end{align*}}$
このときのXの値は
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf X=1\pm \sqrt 2\end{align*}}$(複号同順)
また、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf -\frac{1}{\sqrt 2} \leqq a \leqq \frac{1}{\sqrt 2}\end{align*}}$
の範囲では常にY≦1なので、求める面積をSとすると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf S=\int_{1-\sqrt2}^{1+\sqrt 2}(1-Y)dX\end{align*}}$
ここで、(1)より
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf X=a^2+2a+\frac{1}{2}\ \ ,\ \ \sf Y=a^2+\frac{1}{2}\end{align*}}$
と置換すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{dX}{da}=2a+2\end{align*}}$
積分区間も考慮に入れると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf S=\int_{-\frac{1}{\sqrt2}}^{\frac{1}{\sqrt 2}}\left(1-\left(a^2-\frac{1}{2}\right)\right)(2a+2)da\end{align*}}$
これを計算すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf S=\frac{2}{3}\sqrt 2\end{align*}}$
もちろん(1)で得られた媒介変数表示を利用して積分です。
テーマ:数学 - ジャンル:学問・文化・芸術
- 2018/10/25(木) 01:02:00|
- 大学入試(数学) .全国の大学 .東北大 理系 2011
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