質問<3215>
「「曲線」」
日付 2006/5/31
質問者


Oを原点とするxy平面で2つの直線\(L_{1}\):y=\(\frac{x}{a}\),\(L_{2}\):y=-\(\frac{x}{a}\)(ただし、aは正の定数
とする)を考える。次の問に答えよ。
(1)\(L_{1}\),\(L_{2}\)を漸近線とし、点(1,0)を通る双曲線の焦点の1つを\(F_{1}\)(f,0)とする
とき、fをaを用いて表せ。ただし、f>1とする。
(2)\(F_{1}\)を通り\(L_{1}\)に垂直な直線が\(L_{1}\)と交わる点をP、y軸と交わる点をQとする。
更にPで\(L_{1}\)に接し、y軸を軸とする放物線の焦点を\(F_{2}\)とする。このとき、\(F_{2}\)は
線分OQの中点であることを示せ。
(3)△O\(F_{1}\)\(F_{2}\)の面積が最小になるようなaを求めよ。

★希望★完全解答★

お便り
日付 2006/6/4
回答者 wakky


(1)
双曲線の方程式は
\(x^{2}\)-\(y^{2}\)/(\(\frac{1}{a}\)\()^{2}\)=1だから
f=\(\pm\)\(\sqrt{\quad}\){1+(\(\frac{1}{a}\)\()^{2}\)}=\(\pm\)\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)/a
f>1より
f=\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)/a・・・(答)

(2)
これは、もっと良い解答があるのかもしれませんが・・
点F1を通り直線L1に垂直な直線をL3とすると
L3の方程式は
y=-ax+bとおける
これがF1を通るから
b=\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)
従って、L3の方程式は
y=-ax+\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)
(途中計算省略します)
よって
点Qの座標は(0,\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1))
点Pの座標はL1とL3の交点より
P(a/\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1),1/\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1))
今、点F2の座標を(0,c)とし、
放物線の頂点の座標を(0,d)とすると
放物線の方程式は
\(x^{2}\)=4(c-d)(y-d) とおける
yについて整理して微分すると
y'=x/{2(c-d)}
点Pにおける接線L1の傾きが\(\frac{1}{a}\)だから
c-d=\(a^{2}\)/{2\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)}・・・①
また、放物線は点Pを通るから
d=1/{2\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)}・・・②
①②より
c=\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)/2
よって、F2(0,\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)/2)となって
F2は線分OQの中点であることが示された。

(3)
△OF1F2の面積をS(a)とすると
S(a)=(\(\frac{1}{2}\))・{\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)/a}・{\(\sqrt{\quad}\)(\(a^{2}\)+1)/2}
  =(\(a^{2}\)+1)/(4a)
  =(\(\frac{a}{4}\))+1/(4a)
a>0だから、相加平均と相乗平均の関係から
S(a)=(\(\frac{a}{4}\))+1/(4a)≧2\(\sqrt{\quad}\){(\(\frac{a}{4}\))・1/(4a)}=\(\frac{1}{2}\)
等号が成り立つのは
(\(\frac{a}{4}\))=1/(4a)のときだから、a>0よりa=1
以上から
S(a)はa=1のとき最小値\(\frac{1}{2}\)をとる。・・・(答)