筑波大学/2022年度

1筑波大学 2022年 数学 第1問解答・解説

二次関数図形と計量いろいろな式図形と方程式微分・積分の考え

1問題

筑波大学2022年度第1問
tt、pp を実数とし、t>0t>0 とする。xyxy 平面において、原点 O を中心とし点 A(1, t)A(1,\,t) を通る円を C1C_{1} とする。また、点 A における C1C_{1} の接線を ℓ\ell とする。直線 x=px=p を軸とする 2 次関数のグラフ C2C_{2} は、x 軸と接し、点 A において直線 ℓ\ell とも接するとする。

(1) 直線 ℓ\ell の方程式を tt を用いて表せ。

(2) pp を tt を用いて表せ。

(3) C2C_{2} と xx 軸の接点を M とし、C2C_{2} と yy 軸の交点を N とする。t が正の実数全体を動くとき、三角形 OMN の面積の最小値を求めよ。

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)
    ℓ:x+ty=1+t2\ell:x+ty=1+t^2。
  • (2)
    p=1+2t2p=1+2t^2。
  • (3)
    面積の最小値は 222\sqrt2。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

解答

(1) 円 C1C_{1} は x2+y2=1+t2x^{2}+y^{2}=1+t^{2} で、A(1, t)A(1,\,t) における半径 OA→=(1, t)\overrightarrow{OA}=(1,\,t) は接線の法線である。したがって
(x−1)+t(y−t)=0,すなわちℓ: x+ty=1+t2. (x-1)+t(y-t)=0,\quad \text{すなわち}\quad \ell:\ x+ty=1+t^{2}.

(2) C2C_{2} は軸が x=px=p で、xx 軸と接するから y=k(x−p)2 (k≠0)y=k(x-p)^{2}\ (k\neq 0) と書ける。AA が C2C_{2} 上にあることと、その点での接線の傾きが ℓ\ell の傾き −1t-\dfrac{1}{t} に等しいことから
t=k(1−p)2,2k(1−p)=−1t. t=k(1-p)^{2},\quad 2k(1-p)=-\frac{1}{t}.
1−p≠01-p\neq 0 なので k=t(1−p)2k=\dfrac{t}{(1-p)^{2}} を代入して 2t1−p=−1t\dfrac{2t}{1-p}=-\dfrac{1}{t}。よって p=1+2t2p=1+2t^{2}、さらに k=14t3k=\dfrac{1}{4t^{3}}。

(3) 接点は M=(p, 0)M=(p,\,0)、また N=(0, kp2)N=(0,\,kp^{2}) である。p, k>0p,\,k>0 より
△OMN=12⋅p⋅kp2=(1+2t2)38t3=18(1t+2t)3. \triangle\mathrm{OMN}=\frac12\cdot p\cdot kp^{2}=\frac{(1+2t^{2})^{3}}{8t^{3}}=\frac18\left(\frac1t+2t\right)^{3}.
相加平均と相乗平均の関係より 1t+2t≧22\dfrac1t+2t\geqq 2\sqrt2(等号は 1t=2t\dfrac1t=2t、すなわち t=12t=\dfrac{1}{\sqrt2} のとき)。したがって最小値は
18(22)3=22. \frac18(2\sqrt2)^{3}=2\sqrt2.

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

  • 二次関数のグラフと頂点
  • 三角比による面積
  • 円の方程式
  • 等式・不等式の証明
  • 多項式の導関数
  • 接線の方程式

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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