阪大理系数学'09年後期[4]

a,b,cを実数とする。,とおく。2つの関数,のグラフが異なる2点P,Qを共有している。さらに点Pでの2つのグラフの接線が一致し、点Qでの2つのグラフの接線は直交しているとする。これらの条件を満たすようにa,b,cを変化させるとき、2つのグラフで囲まれた部分の面積Sの最小値を求めよ。


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解答 面積計算は、定積分の公式:を利用します。

点
P,Qのx座標をp,qとします。
点
Pでの2つのグラフの接線が一致するので、点Pで2曲線は接します。また、点Qで2曲線が交わるので、とを連立すると、重解,解が得られます。よって、
 ・・・�@
係数を比較することにより、
,, ・・・�A
�@を用いて、2つのグラフで囲まれた部分の面積Sは、,,いずれの場合もありうることと、,あるいは、において、であることに注意して、

 ・・・�B
,を微分すると、
,
より、両曲線の点Qにおける接線の傾きは、
,
点Qにおいて、両曲線の接線が直交することより、
 (2直線の平行・垂直を参照)
�Aより、
ここで、�Bを見ているとSがで表されるので、が出てくるように式変形します。
のとき、より、曲線の接線の傾きは0ですが、2次関数のグラフの接線がx軸に垂直になることはないので、題意より、です。よって、
�Bに代入すると、相加平均・相乗平均の関係より、
 (不等号の等号成立は,つまり、のとき)
よって、Sの最小値: ......[答]

追記.整関数(xの多項式で表される関数),のグラフのにおける接線が一致するときに、方程式:がを重解にもつことを示しておきます。
まず、における接線が一致することから、

 (傾きが一致する) ・・・�C
 
(接点のy座標が一致する) ・・・�D
もxの多項式で表される関数で、です。
をで割った余り
(xの1次式、あるいは、定数)を (C,Dは定数),商をとすると、
 ・・・�E
xで微分して、
�Cより、
よって、
�Eより、
�Dより、
よって、
従って、はを重解にもちます。



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