筑波大数学'09年[3]

を整式で表される関数とし、とおく。任意の実数xについて
が成り立つとする。
(1) が成り立つことを示せ。
(2) は定数または1次式であることを示せ。
(3) およびを求めよ。


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解答 連立微分方程式のように見えますが、は整式、という指定がついているので、現行の高校学習指導要領の範囲内で解決します。なお、本問のような、を利用する問題では、定積分を0にするようなxの値を代入することにより、隠れた条件が出てくるので注意してください。本問でも、(3)のbの値を決めるところで考えることになります。

 ・・・�@
 ・・・�A
(1) �@両辺をxで微分すると、
 ・・・�B
�A両辺をxで微分すると、
 ・・・�C (積の微分法、定積分と微分(その2)を参照)
この形のまま微分すると、右辺の微分でが残って困ることになります。(1)は、�@,�Aよりを消去することが目的なので、�Bを考慮して、�C両辺にをかけ、
 ・・・�D
この両辺をxで微分すると、
 (∵ �B)
両辺にをかけて、
∴

(2) としてをn次の整式とし、次以下の整式と定数aを用いて、
とおけたと仮定します。
,
を(1)の等式に代入すると、
整理して、
 ・・・�E
,は次以下、,は次以下の整式なので、�Eの以外の項は次以下の整式になります。�Eが任意の実数xについて成立するためには、の係数は0でなければなりません(恒等式を参照)。ですが、では、にせよ、にせよ、がn次()の整式であることに矛盾します。
よって、であり、は定数または
1次式です。

(3) (2)より、とおけて、,
これらを(1)の等式に代入すると、
∴  ・・・�F
�@にを代入すると、 
(を代入するのは、�@の定積分の値を0にするため)
�Dにを代入すると、
∴

�Fより、
∴
......[答]
�Dより、
......[答]


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