NO.1-1 面積の計算 ~難易度☆☆☆★★
問題
1 :以下、名無しにかわりましてVIPがお送りします:2009/04/12(日) 21:41:38.71 ID:U4wuXEcQ0
a,bを正の定数とする。2つの曲線 y=x^3+bx^2, y=ax^2+abxによって囲まれる
2つの部分の面積の和をSとする。
1)Sをa, bで表せ
2)a+b=1のとき、Sを最小にするa, bの値と、そのときのSの値を求めよ。
解答
+
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... |
(1)S=(a^4+b^4)/12+ab(a^2+b^2)/6
(2)a=b=1/2,S=1/32
解説
(1)
とりあえず交点の座標は
x^3+bx^2=ax^2+abx
x(x^2+bx)=a(x^2+bx)から
x(x-a)(x+b)=0となります。a,bは正数より-b<0<a
これより面積は、
S=∫[x=-b,0]x(x-a)(x+b)dx+∫[x=0,a]-x(x-a)(x+b)dx
=∫[x=-b,0](x^3+(b-a)x^2-abx)dx+∫[x=0,a]-(x^3+(b-a)x^2-abx)dx
=(x^4/4+(b-a)x^3/3-abx^2/2)_[x=-b,0]-(x^4/4+(b-a)x^3/3-abx^2/2)_[x=0,a]
=-(b^4/4-(b-a)b^3/3-ab^3/2)-(a^4/4+(b-a)a^3/3-a^3b/2)
=-(a^4+b^4)/4+(b^3(b-a)-a^3(b-a))/3+ab(a^2+b^2)/2
=(a^4+b^4)/12-ab(a^2+b^2)/3+ab(a^2+b^2)/2
=(a^4+b^4)/12+ab(a^2+b^2)/6
(2)まあ、対称的な式なのでa=bが最小と推測してよいでしょう。
どんなやりかたでもいいですが、a+b=1で0<a<1,0<b<1も利用する。
すると相加相乗平均より
S=(a^4+b^4)/12+ab(a^2+b^2)/6≧(ab)^2/6+(ab)^2/3=(ab)^2/2(等号成立は二つともa=b=1/2)
∴S=1/32で最小
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NO.4-2 直線と放物線に囲まれる面積 ~難易度☆☆☆★★
問題
(1)
1 :以下、名無しにかわりましてVIPがお送りします:2009/06/23(火) 20:45:56.37 ID:72EqPluTI
y=x^2
y=-2x-1
y=4x-4
これらのグラフに囲まれた範囲の面積を求めよ
(2)
放物線C:y=ax^2上でx座標がp,qである点P,Qを通る放物線の接線をそれぞれL_p,L_qとする。
また、L_pとL_qの交点を点Rとし、点Rを通りy軸に平行な直線をL_rとする。
この時、L_pとL_rと放物線Cに囲まれる面積S_pとL_qとL_rと放物線Cに囲まれる面積S_qについて
S_p=S_qであることを示せ。(ただし、p<q,a>0)
解答
+
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(1)9/4 (2)解説参照
解説
それぞれの交点を求めると
y=x^2とy=-2x-1の交点AはA(-1,1)
y=-2x-1とy=4x-4の交点BはB(1/2,-2)
y=4x-4とy=x^2の交点CはC(2,4)
でA,Cは接点なので
S=∫[x=-1,1/2](x+1)^2 dx +∫[1/2,2](x-2)^2 dx
=[(x+1)^3/3]_[x=-1,1/2]+[(x-2)^3/3]_[x=1/2,2]
=9/8+9/8=9/4
(2)は(1)の一般化として追加した問題
L_p:y=2ap(x-p)+ap^2=2apx-ap^2
L_q:y=2aqx-aq^2
これより交点Rのx座標は、(2ap-2aq)x=a(p^2-q^2)より x=(p+q)/2なので
S_p=∫[x=p,(p+q)/2]a(x-p)^2 dx =[a(x-p)^3/3]_[x=p,(p+q)/2]=a(q-p)^3/24
S_q=∫[x=(p+q)/2,q]a(x-q)^2 dx =[a(x-q)^3/3]_[x=(p+q)/2,q]=a(q-p)^3/24
∴S_p=S_q
-
補足
(1)に当てはめてp=-1,q=2,a=1を入れると
S=(2+1)^3/12=27/12=9/4より検算できる。
また、a<0でも向き逆にすれば同じ計算で同じ結果が得られます。
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最終更新:2009年06月24日 00:47