大学入試センター試験 2017年(平成29年) 本試 数学ⅡB 第2問 解説

(1)

$y=x^{2}+1$
を微分して、
$y'=2x$
より、$(t,t^{2}+1)$における接線の傾きは
$2t$
である。
傾き$2t$の直線が$(t,t^{2}+1)$を通るので、接線の方程式は
$y-(t^{2}+1)=2t(x-t)$
$y=2t(x-t)+(t^{2}+1)$
$y$$=2tx-2t^{2}+t^{2}+1$
$y$$=2tx-t^{2}+1$式A
である。

解答ア:2, イ:1


この直線が$(a,2a)$を通るので、式Aの$x$に$a$,$y$に$2a$を代入して、
$2a=2at-t^{2}+1$
$t^{2}-2at+2a-1=0$式B
となる。

解答ウ:2, エ:2, オ:1

これを因数分解する。
たすきがけをして、

$t$ $-(2a-1)$ $(-2a+1)t$
$t$ $-1$ $-t$
$-2at$

より、式Bは
$\{t-(2a-1)\}(t-1)=0$
と書けるので、
$t=2a-1$,$1$
である。

解答カ:2, キ:1, ク:1

以上より、点$\mathrm{P}$から$C$へは、接点の$x$座標が$2a-1$と$1$の2本の接線を引くことができる。
ただし、
$2a-1=1$
つまり
$a=1$
のとき、2つの接点は重なるので、接線は1本しか引けない。

解答ケ:1


$t=2a-1$のとき、式Aは
$y=2(2a-1)x-(2a-1)^{2}+1$
$y$$=(4a-2)x-(4a^{2}-4a+1)+1$
$y$$=(4a-2)x-4a^{2}+4a$
となる。

解答コ:4, サ:2, シ:4, ス:4

また、$t=1$のとき、式Aは
$y=2x-1+1$
$y$$=2x$
となる。

解答セ:2

(2)

図A
大学入試センター試験2017年本試 数学ⅡB第2問 解説図A

①式の接線と$y$軸の交点の$y$座標$r$は、①に$x=0$を代入して
$r=-4a^{2}+4a$
であり、$0 \lt r$となるのは
$0 \lt -4a^{2}+4a$
途中式 $4a^{2}-4a \lt 0$
$a^{2}-a \lt 0$
$a(a-1) \lt 0$
より、
$0 \lt a \lt 1$
のときである。

解答ソ:0, タ:1

このとき、△$\mathrm{OPR}$(図Aの赤い三角形)について、
底辺を$\mathrm{OR}$,高さを点$\mathrm{P}$と$y$軸の距離と考えると、面積$S$は、
$S=\displaystyle \frac{1}{2}(-4a^{2}+4a)a$
$S$$=(-2a^{2}+2a)a$
$S$$=2(-a^{3}+a^{2})$
$S$$=2(a^{2}-a^{3})$式C
となる。

解答チ:2, ツ:2, テ:3


式Cを微分して、
$S'=2(2a-3a^{2})$
$S'$$=2(2a-3a^{2})$
$S'$$=-2a(3a-2)$
より、
$a=0,\displaystyle \frac{2}{3}$のとき、$S'=0$である。

式Cより
$S=2a^{2}(1-a)$
なので、
$a=0$のとき、
$S=0$
$a=\displaystyle \frac{2}{3}$のとき、
$S=2\left(\frac{2}{3}\right)^{2}\left(1-\frac{2}{3}\right)$
$S$$=2\left(\frac{2}{3}\right)^{2}\left(\frac{1}{3}\right)$
$S$$=\left(\frac{2}{3}\right)^{3}$
$S\displaystyle $$\displaystyle =\frac{8}{27}$

以上より、$0 \lt a \lt 1$の範囲で増減表を書くと、

表B
$a$ $0$ $\cdots$ $\displaystyle \frac{2}{3}$ $\cdots$ $1$
$S'$ $0$ $+$ $0$ $-$
$S$ $0$ $\nearrow$ $\displaystyle \frac{8}{27}$ $\searrow$

となる。

増減表より。
$a=\displaystyle \frac{2}{3}$
のとき
最大値
$S=\displaystyle \frac{8}{27}$
である。

解答ト:2, ナ:3, ニ:8, ヌ:2, ネ:7

(3)

図C
大学入試センター試験2017年本試 数学ⅡB第2問 解説図C

次は、図Cの赤い部分の面積を求める。
直接求めてもいいんだけど、直線の式が
$y=(4a-2)x-4a^{2}+4a$
で面倒。
なので、ここでは緑で囲んだ面積から青い台形を引く方針で解く。

緑で囲んだ面積は、
緑$=\displaystyle \int_{0}^{a}x^{2}+1dx$
$=\left[\frac{1}{3}x^{3}+x\right]_{0}^{a}$
$\displaystyle =\frac{1}{3}a^{3}+a$
青い台形は、
上底が$2a$,下底が$-4a^{2}+4a$,高さが$a$なので、面積は
青$=\displaystyle \frac{1}{2}\cdot(2a-4a^{2}+4a)\cdot a$
$\displaystyle =\frac{1}{2}(-4a^{2}+6a)a$
$=-2a^{3}+3a^{2}$
となる。

よって、赤い部分の面積$T$は
$T=$緑$-$青
$T$$=\left(\frac{1}{3}a^{3}+a\right)-\left(-2a^{3}+3a^{2}\right)$
$T$$=\displaystyle \frac{1}{3}a^{3}+2a^{3}-3a^{2}+a$
$T$$=\displaystyle \frac{7}{3}a^{3}-3a^{2}+a$
である。

解答ノ:7, ハ:3, ヒ:3, フ:a


これを微分すると
$T'=7a^{2}-6a+1$
なので、$T'=0$のとき、解の公式より
$a=\displaystyle \frac{6\pm\sqrt{6^{2}-4\cdot 7\cdot 1}}{2\cdot 7}$
$a\displaystyle $$\displaystyle =\frac{6\pm\sqrt{2^{2}(3^{2}-7)}}{2\cdot 7}$
$a\displaystyle $$\displaystyle =\frac{6\pm 2\sqrt{2}}{2\cdot 7}$
$a\displaystyle $$\displaystyle =\frac{3\pm\sqrt{2}}{7}$
である。

$\displaystyle \frac{2}{3}\leqq a \lt 1$の範囲での増減が問われているので、この$\displaystyle \frac{3\pm\sqrt{2}}{7}$が$\displaystyle \frac{2}{3}\leqq a \lt 1$に入るかどうか調べよう。
$\displaystyle \frac{3-\sqrt{2}}{7} \lt \frac{2}{3}$
は明らかなので、
$\displaystyle \frac{3+\sqrt{2}}{7}$と$\displaystyle \frac{2}{3}$の大小を調べる。
$\displaystyle \frac{3+\sqrt{2}}{7}-\frac{2}{3}=\frac{3(3+\sqrt{2})-7\cdot 2}{7\cdot 3}$
$\displaystyle \frac{3+\sqrt{2}}{7}-\frac{2}{3}$$\displaystyle =\frac{9+3\sqrt{2}-14}{7\cdot 3}$
$\displaystyle \frac{3+\sqrt{2}}{7}-\frac{2}{3}$$\displaystyle =\frac{3\sqrt{2}-5}{7\cdot 3}$
$\displaystyle \frac{3+\sqrt{2}}{7}-\frac{2}{3}$$\displaystyle =\frac{\sqrt{18}-\sqrt{25}}{7\cdot 3} \lt 0$
なので、
$\displaystyle \frac{3+\sqrt{2}}{7} \lt \frac{2}{3}$
である。

以上より増減表を書くと

表D
$a$ $\cdots$ $\displaystyle \frac{3-\sqrt{2}}{7}$ $\cdots$ $\displaystyle \frac{3+\sqrt{2}}{7}$ $\cdots$ $\displaystyle \frac{2}{3}$ $\cdots$ $1$
$T'$ $+$ $0$ $-$ $0$ $+$
$T$ $\nearrow$ 極大値 $\searrow$ 極小値 $\nearrow$

となる。

増減表より、$\displaystyle \frac{2}{3}\leqq a \lt 1$の範囲において、$T$は単調に増加する。

解答ヘ:2