質問<2176>
「「微分」」
日付 2005/1/25
質問者 んち


点(-1,a)を通り曲線y=\(x^{3}\)-4xに接する直線が3本引けるような
aの値の範囲を求めよ

★希望★完全解答★

お便り
日付 2005/1/29
回答者 kino


まず,f(x)=\(x^{3}\)-4x とおいておきましょう。
曲線上の点を P(p,f(p)) とおきます。
P で接する接線の方程式は
y=f'(p)(x-p)+f(p)
で与えられるから,f'(x)=3\(x^{2}\)-4 より,
y=(3\(p^{2}\)-4)(x-p)+\(p^{3}\)-4p=(3\(p^{2}\)-4)x-2\(p^{3}\).
これが (-1,a) を通るためには,p は (-1,a) を代入した式
a=-(3\(p^{2}\)-4)-2\(p^{3}\)=-2\(p^{3}\)-3\(p^{2}\)+4
をみたさなければなりません。
よって,点(-1,a)を通り曲線y=\(x^{3}\)-4xに接する直線が3本引けるためには,
この方程式をみたす3つの異なる実数解がなければならないことになります。

もうすでに x, y という文字は使われてしまっているので,
代わりに p, q という文字で話を進めます。

考えるべき方程式は,
a=-2\(p^{3}\)-3\(p^{2}\)+4
ですが,pq 平面(p が横軸,q が縦軸)上の直線 q=a と曲線 q=-2\(p^{3}\)-3\(p^{2}\)+4
が3つの交点を持つような a の範囲を求めればよいことになります。
q=-2\(p^{3}\)-3\(p^{2}\)+4 のグラフの概形はここでは描けませんが,グラフを考えると
3次関数 g(p)=-2\(p^{3}\)-3\(p^{2}\)+4 の極小値と極大値の間に a があれば,
交点は3つあることがわかります。
ということで,g'(p)=-6\(p^{2}\)-6p=-6p(p+1) より,g'(p)=0 の解は p=-1, 0.
g(-1)=3 (極小値), g(0)=4 (極大値) なので,3<a<4 が求める範囲です。