日本大学/2026年度/N方式第1期

VI日本大学 2026年 数学 第VI問解答・解説

微分・積分の考え微分法積分法

1問題

日本大学2026年度第VI問

次の 11〜5454 の1つ1つには、00から99までの数字または負の符号 −- のいずれかが入る。それらを解答用紙の 11〜5454 にマークして答えなさい。ただし、分数はすべて既約分数で答え、負の分数のときは符号を分子につけなさい。また、根号の中の数は最も小さい自然数を用いて答えなさい。
関数 f(x)=ax+2x2+bf(x)=\frac{ax+2}{x^2+b} はすべての xx において連続で、x=1x=1 で極値1をもつ。
(1) a=045, b=046a=\boxed{\phantom{0}}_{\text{45}},\ b=\boxed{\phantom{0}}_{\text{46}} である。
(2) 曲線 y=f(x)y=f(x) と xx 軸の交点の座標は (047048,0)(\boxed{\phantom{0}}_{\text{47}}\boxed{\phantom{0}}_{\text{48}},0) であり、曲線 y=f(x)y=f(x)、xx 軸および直線 x=1x=1 で囲まれた図形を xx 軸の周りに1回転させてできる立体の体積は
049050051052 π2 −053054π\begin{aligned} &\frac{\boxed{\phantom{0}}_{\text{49}}}{\boxed{\phantom{0}}_{\text{50}}\boxed{\phantom{0}}_{\text{51}}}\sqrt{\boxed{\phantom{0}}_{\text{52}}}\,\pi^2\ &\quad-\frac{\boxed{\phantom{0}}_{\text{53}}}{\boxed{\phantom{0}}_{\text{54}}}\pi \end{aligned}
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)
    a=2, b=3a=2,\ b=3
  • (2)
    (−1,0),V=8327π2−23π(-1,0),\quad V=\frac{8\sqrt3}{27}\pi^2-\frac23\pi

3解答

解答を見る途中式つきの解答

考え方

連続性で分母の条件を確定し、関数値と停留条件から係数を決定した。交点から積分区間を取り、x軸回転の体積を断面積の定積分で計算した。

解答

(1) すべての実数で定義され連続であるから、分母 x2+bx^2+b が0にならず、b>0b>0 である。f(1)=1f(1)=1 より
a+21+b=1,b=a+1. \frac{a+2}{1+b}=1,\qquad b=a+1.
商の微分法で
f′(x)=a(x2+b)−2x(ax+2)(x2+b)2=−ax2−4x+ab(x2+b)2. f'(x)=\frac{a(x^2+b)-2x(ax+2)}{(x^2+b)^2} =\frac{-ax^2-4x+ab}{(x^2+b)^2}.
x=1x=1 は極値をとる点だから f′(1)=0f'(1)=0、すなわち a(b−1)=4a(b-1)=4 である。b=a+1b=a+1 を代入すると a2=4a^2=4。a=2a=2 のとき b=3>0b=3>0、a=−2a=-2 のとき b=−1b=-1 となるから、a=2,b=3a=2,b=3 である。このとき
f′(x)=−2(x−1)(x+3)(x2+3)2 f'(x)=\frac{-2(x-1)(x+3)}{(x^2+3)^2}
は x=1x=1 の近くで正から負へ変わり、実際に極大値 f(1)=1f(1)=1 をとる。

(2) f(x)=2(x+1)/(x2+3)f(x)=2(x+1)/(x^2+3) だから、xx 軸との交点は (−1,0)(-1,0) である。−1≦x≦1-1\leqq x\leqq1 で f(x)≧0f(x)\geqq0 なので、求める回転体の体積は
V=π∫−11f(x)2 dx=4π∫−11(x+1)2(x2+3)2 dx. V=\pi\int_{-1}^{1}f(x)^2\,dx =4\pi\int_{-1}^{1}\frac{(x+1)^2}{(x^2+3)^2}\,dx.
2x/(x2+3)22x/(x^2+3)^2 は奇関数であり、この区間で積分すると0だから
V=4π∫−11x2+1(x2+3)2 dx. V=4\pi\int_{-1}^{1}\frac{x^2+1}{(x^2+3)^2}\,dx.
ここで x=3tan⁡tx=\sqrt3\tan t と置く。−1≦x≦1-1\leqq x\leqq1 は −π/6≦t≦π/6-\pi/6\leqq t\leqq\pi/6 に対応し、dx=3sec⁡2t dtdx=\sqrt3\sec^2t\,dt である。x2+3=3sec⁡2tx^2+3=3\sec^2t より
V=43π9∫−π/6π/6(3sin⁡2t+cos⁡2t) dt=43π9∫−π/6π/6(2−cos⁡2t) dt. V=\frac{4\sqrt3\pi}{9}\int_{-\pi/6}^{\pi/6} \bigl(3\sin^2t+\cos^2t\bigr)\,dt =\frac{4\sqrt3\pi}{9}\int_{-\pi/6}^{\pi/6}(2-\cos2t)\,dt.
したがって
V=43π9[2t−12sin⁡2t]−π/6π/6=43π9(2π3−32)=8327π2−23π. V=\frac{4\sqrt3\pi}{9} \left[2t-\frac12\sin2t\right]_{-\pi/6}^{\pi/6} =\frac{4\sqrt3\pi}{9}\left(\frac{2\pi}{3}-\frac{\sqrt3}{2}\right) =\frac{8\sqrt3}{27}\pi^2-\frac23\pi.

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

  • 極大・極小
  • 商の微分
  • 不定積分・定積分の性質
  • 置換積分法
  • 三角・指数・対数関数等の積分
  • 定積分による体積

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。

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