質問<3438>
「「積分の問題」」
日付 2006/10/20
質問者 なおひ


(1)
円\(x^{2}\)+\(y^{2}\)=3上の点Pから放物線y=\(\frac{1}{2}\) \(x^{2}\) に異なる2本の接線が引くことができる
ものとし、その2つの接点をQ,Rとする。このとき線分QRとこの放物線とで囲
まれた部分の面積を最大とするような点Pの座標と,そのときの面積を求めよ。

(2)
曲線C:y=\(x^{2}\) + 1 へ直線 y=x 上の点Pから2接線を引く。2接線とCの囲む
面積Sの最小値を求めよ。

どちらもS=|a|/12 (β-α\()^{3}\)を使うと思うのですが、上手くいかないです。
宜しくお願いします。

★希望★完全解答★

お便り
日付 2006/10/21
回答者 主夫


(1)
Q(α,α^2),R(β,β^2)とおく。(α<β)
点PはQを接点とする接線:y=αx-(\(\frac{1}{2}\))α^2 と
   Rを接点とする接線:y=βx-(\(\frac{1}{2}\))β^2
との交点だから,これを連立すると,
P((α+β)/2,αβ/2)となる。…①

一方,Pは円\(x^{2}\)+\(y^{2}\)=3上の点でもあるから,
P((\(\sqrt{\quad}\)3)cosθ,(\(\sqrt{\quad}\)3)sinθ) …②
とおくこともできる。
したがって,①②より
α+β=(2\(\sqrt{\quad}\)3)cosθ,αβ=(2\(\sqrt{\quad}\)3)sinθ …③

Q(α,α^2),R(β,β^2)を通る直線は,
y={(α+β)/2}x-(\(\frac{1}{2}\))αβ だから,
求める面積S
=∫[α→β]{{(α+β)/2}x-(\(\frac{1}{2}\))αβ-(\(\frac{1}{2}\))\(x^{2}\)}dx
=…
=(\(\frac{1}{12}\))(β-α\()^{3}\)    (これは予想通りですね)

③より
(α+β\()^{2}\)={(2\(\sqrt{\quad}\)3)cosθ}^2
(β-α\()^{2}\)+4αβ=12co\(s^{2}\)θ
(β-α\()^{2}\)
=12co\(s^{2}\)θ-4*(2\(\sqrt{\quad}\)3)sinθ
=12(1-si\(n^{2}\)θ)-4*(2\(\sqrt{\quad}\)3)sinθ
=-12si\(n^{2}\)θ-8(\(\sqrt{\quad}\)3)sinθ+12 …④

S=(\(\frac{1}{12}\))(β-α\()^{3}\) は(β-α\()^{2}\)が最大のときSも最大になるので,
(∵α<βよりβ-α>0)
④を平方完成して
(β-α\()^{2}\)
=-12(sinθ+1/\(\sqrt{\quad}\)3\()^{2}\)+16
(この辺で計算ミスがないか是非チェックしてみてください。)
よってsinθ=-1/\(\sqrt{\quad}\)3のとき(β-α\()^{2}\)は最大値16をとる。
つまりβ-α=4
∴S(max)
=(\(\frac{1}{12}\))(β-α\()^{3}\)
=(\(\frac{1}{12}\))*\(4^{3}\)
=\(\frac{16}{3}\)


(2)
(1)同様,接点を(α,α^2),(β,β^2)とおく。(α<β)
点PはQを接点とする接線:y=2αx-α^2 +1と
   Rを接点とする接線:y=2βx-β^2+1
との交点だから,これを連立すると,
P((α+β)/2,αβ)となる。
ところでPは直線y=x上の点でもあるから,
αβ=(α+β)/2 …①

面積S
=∫[α→(α+β)/2]{\(x^{2}\)+1-(2αx-α^2+1)}dx+∫[(α+β)/2→β]{\(x^{2}\)+1-(2βx-β^2+1)}dx
=∫[α→(α+β)/2](x-α\()^{2}\)dx+∫[(α+β)/2→β](x-β\()^{2}\)dx
=…
=(\(\frac{1}{12}\))(β-α\()^{3}\)

ここで①より
(αβ\()^{2}\)=(α+β\()^{2}\)/4
4(αβ\()^{2}\)=(β-α\()^{2}\)+4αβ
(β-α\()^{2}\)=4(αβ-\(\frac{1}{2}\)\()^{2}\)+1
S=(\(\frac{1}{12}\))(β-α\()^{3}\) は(β-α\()^{2}\)が最小のときSも最小になるので,
(∵α<βよりβ-α>0)
αβ=\(\frac{1}{2}\) のとき(β-α\()^{2}\)は最小値1をとる。
つまりβ-α=1
∴S(min)
=(\(\frac{1}{12}\))(β-α\()^{3}\)
=\(\frac{1}{12}\)