慶大理工数学'08年[A4]
(1) tを実数とする。座標平面内の2点,を結ぶ線分の垂直2等分線の傾きは テ で、方程式はy= テ x+ ト である。 直線に関して点と対称な位置にある点をとする。座標であらわすと、は,は ナ ,は ニ である。またの座標をtを用いてあらわすとである。のときは直線y= ノ に限りなく近づく。 (2) tがすべての実数をとるときにが描く曲線をCとする。点 ()におけるCの接線の傾きは、のとき ハ に近づく。曲線Cと直線が異なる3点で交わるための必要十分条件は ヒ < a < フ である。
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解答 「必要十分条件」と書かれているから、きちんと証明しておかなければ(ヒ)(フ)の解答を書いてはならないと思い込んでしまうと、「合格」が遠くなってしまいます。くらいを調べれば、曲線Cの大体の姿はわかるので、試験場では、一々微分せずに(ハ)(ヒ)(フ)を埋めてしまうのが利口だと思います。
(1)(テ) 2点,を結ぶ線分の傾きは、のとき、,の傾きはt ......[答] (のときもこれでよい) (ト) 2点,の中点は、,この点を通って、傾きtの直線は、 (ナ) のとき、: となるので、は、になります(右図水色)。 のとき、:
は、 ......[答] (右図黄緑色) は、 ......[答] (右図橙色) 直線とが垂直: ・・・@
線分の中点は上: ・・・A
@より、 ・・・B
Aに代入して、 ∴ Bに代入して、 よって、(ヌ)は、2,(ネ)は、 ......[答]試験場では、が,が,がとなることを確認してください。それと、とのx座標はともに1です。のときがどこに行ってしまうのか、ということが気になります。も確認しましょう。
のとき、,
は、です。なので、の軌跡は、のときにを通過した後、一旦、の部分に出っ張ってから、のときにまで引き返してくるらしい、ということがつかめます。・・・(*) (ノ) のときが近づく直線、というのは、漸近線のことですが、のとき、というだけで、(ノ)を0としてしまっても良いと思います。 きちんと確認するのなら、のとき、 より、漸近線の傾きは0 (実は、空所の形からわかってしまう)で、
より、漸近線のy切片も0よって、漸近線は ......[答]漸近線がx軸であることと、(*)から、(2)の(ハ)(ヒ)(フ)は微分計算しなくても、答がわかってしまいます。微分計算をやってしまうと時間的ロスが大きくなるので、試験場では充分に注意してください。 (2)(ハ) 試験場では以下のようにするのが実用的です。
(1)から曲線Cは、でとがっていて(尖点と言います)、のときの接線は、のときの (傾き:1)に垂直になりそうです。従って、接線の傾きは、のとき、 ......[答] に近づくことがわかります。 (ヒフ)これで、曲線Cの概形が右図のようになることがわかってしまうので、曲線Cと直線が異なる3点で交わるための必要十分条件は、 とすると、 ,または、 とおくと、 より、は単調増加な関数(3次関数の増減を参照)で、,より、方程式はの範囲に解をもっています。これをαとします。増減表より(関数の増減を参照)、tをから次第に大きくしてくると、それに伴ってxは、までは増大し、曲線は左から右に進みますが、においてはxは減少し、曲線は、右から左に引き返す感じになります。においてはxは増大し、再び、左から右に進みます。 2つの増減表からグラフの概形は右上図のようになります。
において、
のとき、より、(ハ)は
グラフの概形より、は曲線Cと(微分法の方程式への応用(2)を参照)、
のとき、第4象限でのみ1交点をもち、
のとき、1交点をもち、
のとき、第3象限で1交点、第1象限で、曲線のの部分、また、曲線のの部分で、計3交点をもち、
のとき、第3象限で1交点、第1象限で1交点,合わせて、2交点をもち、
のとき、第3象限で1交点をもつ、
従って、曲線Cと直線が異なる3点で交わるための必要十分条件は、
これで、(ヒ)が0,(フ)が1,ということになります。
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