聖マリアンナ医科大学/2023年度/一般

1聖マリアンナ医科大学 2023年 数学 第1問解答・解説

二次関数指数関数・対数関数微分法積分法

1問題

聖マリアンナ医科大学2023年度第1問
以下の設問 (1), (2) のア〜オにあてはまる適切な数または式を答えよ。
(1) 関数 f(x)=32x+1+3−2x+1−20(3x+3−x)+10f(x)=3^{2x+1}+3^{-2x+1}-20(3^x+3^{-x})+10 の最小値は ア\boxed{\text{ア}} で、このときの xx の値は x=イx=\boxed{\text{イ}} または x=ウx=\boxed{\text{ウ}} となる。
(2) 座標平面上を運動する点 PP の座標 (x,y)(x,y) が時刻 tt の関数として {x=e−tcos⁡πt2,y=e−tsin⁡πt2\begin{cases}x=e^{-t}\cos\frac{\pi t}{2},\\y=e^{-t}\sin\frac{\pi t}{2}\end{cases} で表されるとき、点 PP の速さは e−t2エ\frac{e^{-t}}{2}\sqrt{\boxed{\text{エ}}} であり、点 PP が時刻 t=0t=0 から t=オt=\boxed{\text{オ}} までの間に動く道のりは エ4\frac{\sqrt{\boxed{\text{エ}}}}{4} である。

まずは自分で解いてみましょう。解けたら「答え」、詰まったら「解答」で確かめられます。

タイマー

15:00

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • (1)
    ア=−883,イ=−1,ウ=1\text{ア}=-\frac{88}{3},\quad\text{イ}=-1,\quad\text{ウ}=1
  • (2)
    エ=π2+4,オ=log⁡e2\text{エ}=\pi^2+4,\quad\text{オ}=\log_e 2

3解答

解答を見る途中式つきの解答

考え方

(1) 指数の対称式を変数置換して二次関数の最小値を求めた。(2) 媒介変数表示を微分して速さを求め、その積分から時間を決めた。

解答

(1)  u=3x+3−xu=3^x+3^{-x} とおくと、(3x/2−3−x/2)2≧0(3^{x/2}-3^{-x/2})^2\geqq0 より u≧2u\geqq2 である。また
f(x)=3(32x+3−2x)−20u+10=3u2−20u+4=3(u−103)2−883. f(x)=3\bigl(3^{2x}+3^{-2x}\bigr)-20u+10=3u^2-20u+4=3\left(u-\frac{10}{3}\right)^2-\frac{88}{3}.
u=10/3u=10/3 は範囲 u≧2u\geqq2 内で実現するので、最小値は −88/3-88/3 である。z=3x>0z=3^x>0 とすると
z+1z=103であるための必要十分条件は3z2−10z+3=0、すなわち(z−3)(3z−1)=0. z+\frac1z=\frac{10}{3}\quad\text{であるための必要十分条件は}\quad 3z^2-10z+3=0\quad\text{、すなわち}\quad(z-3)(3z-1)=0.
従って z=3,1/3z=3,1/3、すなわち x=1,−1x=1,-1 で最小値をとる。

(2)  θ=πt/2\theta=\pi t/2 とおくと、積と合成関数の微分により
x′=e−t(−cos⁡θ−π2sin⁡θ),y′=e−t(−sin⁡θ+π2cos⁡θ). \begin{aligned} x'&=e^{-t}\left(-\cos\theta-\frac{\pi}{2}\sin\theta\right),\\ y'&=e^{-t}\left(-\sin\theta+\frac{\pi}{2}\cos\theta\right). \end{aligned}
よって交差項が打ち消し合い、速さは
(x′)2+(y′)2=e−t1+π24=e−t2π2+4. \sqrt{(x')^2+(y')^2}=e^{-t}\sqrt{1+\frac{\pi^2}{4}}=\frac{e^{-t}}{2}\sqrt{\pi^2+4}.
従って エ=π2+4\text{エ}=\pi^2+4。T=オT=\text{オ} とすると、T≧0T\geqq0 での道のりは
∫0Te−t2π2+4 dt=π2+42(1−e−T). \int_0^T\frac{e^{-t}}2\sqrt{\pi^2+4}\,dt=\frac{\sqrt{\pi^2+4}}2(1-e^{-T}).
これが問題の値 π2+4/4\sqrt{\pi^2+4}/4 に等しいから e−T=1/2e^{-T}=1/2、よって T=log⁡e2T=\log_e 2 である。

読み終えたら解答を閉じて、もう一度自分の手で解いてみましょう。

この問題で使う考え方

  • 二次関数の最大・最小
  • 有理数指数と指数法則
  • 積の微分
  • 合成関数の微分
  • 三角関数の微分
  • 指数・対数関数の微分
  • 速度と加速度
  • 三角・指数・対数関数等の積分
  • 対数とその性質

答えと解答は AI で作成したものです。誤りに気づいたらお問い合わせから教えてください。

聖マリアンナ医科大学の数学を、過去 10 年分まとめて解けるものがあったら使いたいですか?

次にやること

同じ年度の次の問題第2問へ進む指数関数・対数関数・数学と人間の活動(整数)

聖マリアンナ医科大学のほかの年度

似た問題を、ほかの大学で