質問<2714>
「「積分の問題なんですが…」」
日付 2005/11/25
質問者 tk


放物線y=\(x^{3}\)+\(x^{2}\)と直線y=(\(a^{2}\))(x+1)に囲まれた二つの図形の面積が
等しくなる時のaを求めなさい。(0<a<1)
という問題です。

交点の座標は、方程式を解いてx=-1,-a,aとなる事が分かります。
そこで、解答では積分してゴチャゴチャやると、
a=\(\frac{1}{3}\)となると書いてあります。

でも、そこで思ったんですが、この-aが三時関数の対象点となるはず
なので、(a-1)/2=-a を解いてa=\(\frac{1}{3}\)とも解けそうな気がします。

このx=-aの点が対象点である事が証明できる方、または、この考え方
が間違っているという反例が思い浮かぶ方、いましたら、教えていただ
ければうれしいです。
よろしくお願いします。

★希望★完全解答★

お便り
日付 2005/11/28
回答者 wakky


おっしゃるとおり
直線②との交点のx座標はx=-1,-a,aです。
0<a<1なので
まず、-1<-a<aですね
TKさんの考えでは、数直線上で
x=-aがx=-1とx=aの中点であるということになります。
しかし
aが大きくなると-aは小さくなる
数直線で考えると
aが右に動く(1に近づく)と
-aは左に動く(-1に近づく)
だから常に中点だということにはなりません。
なんとなく図形の対象性(らしきもの)から-aが中点ならば
面積が等しくなりそうだ・・・
という気持はわかりますが
問題は、「面積が等しくなるaは?」ですから
それでは回答にはなりませんね。

f(x)=x^3+x^2
g(x)=a^2(x+1) とおくと
f(x)のx=-1における微分係数は1なので
x=-1における接線の傾きは1
しかし、0<a^2<1なのでg(x)が接することはありません。
また、傾きが0になることもありません。
だから、f(x)とg(x)は必ず3点で交わります。

f(x)-g(x)を-1から-aまで定積分した値と
g(x)-f(x)を-aからaまで定積分した値
この2つの値が等しくなるようなaを求めることになると思います。

やってみると
(a+1)^3{a-(1/3)}=0となって
0<a<1から
a=1/3となりました。

ちなみに対象性は
この3次曲線をx軸方向に1/3
y軸方向に(1/3)^3+(1/3)^2=4/27
だけ平行移動すると
y=x^3-(x/3)となって
y=h(x)とすると
h(-x)=-h(x)なので
確かに原点に関して対象になります

お便り
日付 2005/11/28
回答者 juin


y=\(x^{3}\)+\(x^{2}\)-\(a^{2}\)(x+1)=(x+1)(x+a)(x-a)
y'=3\(x^{2}\)+2x+\(a^{2}\)
x=α,βのとき、極値をとるとすると、
解と係数の関係より、α+β=-\(\frac{2}{3}\)となる。
だから、x=-\(\frac{1}{3}\)の時のyの値をy0とすると、
(-\(\frac{1}{3}\),y0)に関して、3次関数のグラフが点対称になる。
y0=0となるとすると、(-\(\frac{1}{3}\)\()^{3}\)+(-\(\frac{1}{3}\)\()^{2}\)-\(a^{2}\)(-\(\frac{1}{3}\)+1)=0
a=\(\frac{1}{3}\)となる。このとき、[-1,-\(\frac{1}{3}\)]でのグラフと、
[-\(\frac{1}{3}\),\(\frac{1}{3}\)]でのグラフは合同だから、面積は等しい。
だから、a=\(\frac{1}{3}\)は1つの答である。

お便り
日付 2005/11/30
回答者 tk


色々と教えていただき、ありがとうございました。
色々、学校の数学の先生と考えてみたところ、答えは対象点以外にないことが
一般的に三次関数と、動く直線に対して存在しない事がわかりました。

三次関数は一般的に、a(x-p\()^{3}\)+b(x-p)+qと書けるので、必ず対象点を持ちます。

-1から-aまでの囲まれた面積をS1,-aからaまでの囲まれた面積をS2とします。

この場合の対象点はx=-\(\frac{1}{3}\)上にあります。
(これは、(a-1)/2=-aを解けば出てきます)
この点を通る場合のS1=S2=Sとおきます。


もし、-a<-\(\frac{1}{3}\)ならば、グラフを書くと、S1<S<S2である事が分かるので、不適。
-a>-\(\frac{1}{3}\)とすると同様に、S1>S>S2となるので、不適。

よって、-a=-\(\frac{1}{3}\)で、a=\(\frac{1}{3}\)となる。

という事でよさそうです。

投稿ありがとうございました。
おかげさまで問題が解決しました。