大学入学共通テスト 2025年(令和7年) 追試 数学ⅡBC 第3問 解説
(1)
復習
$a$を定数としたとき
$\displaystyle \dfrac{d}{dx}\int_{a}^{x}f(t)\,dt=f(x)$
$\displaystyle F(x)=\int_{0}^{x}t(t-2)\,dt$式A
を微分した
$\displaystyle F'(x)=\dfrac{d}{dx}\int_{0}^{x}t(t-2)\,dt$
は、復習より
$$ \begin{align} F'(x)&=x(x-2)\class{tex_formula}{式B}\\ &=x^{2}-2x \end{align} $$ とかける。
解答ア:2
式Bより、$x=0$,$2$ のとき $F'(x)=0$ なので、
$F(x)$ は $x=0$,$2$ のときに
極値 $F(0)$,$F(2)$ をとる
ことが分かる。
$F(0)$ は、式Aに $x=0$ を代入して
$$
\begin{align}
F(0)&=\int_{0}^{0}t(t-2)\,dt\\
&=0
\end{align}
$$
$F(2)$ は、式Aに $x=2$ を代入して
$\displaystyle F(2)=\int_{0}^{2}t(t-2)\,dt$
だけど、この計算には $\dfrac{1}{6}$公式が使える。
公式
$\displaystyle \int_{\alpha}^{\beta}(x-\alpha)(x-\beta)\,dx=-\dfrac{1}{6}(\beta-\alpha)^{3}$
公式より、$F(2)$ は
$$
\begin{align}
F(2)&=-\dfrac{1}{6}(2-0)^{3}\\
&=-\dfrac{4}{3}\class{tex_formula}{式C}
\end{align}
$$
となる。
以上より、$F(x)$ の極値は
$x=0$ のとき $0$
$x=2$ のとき $-\dfrac{4}{3}$
だ。
このうち、極値が大きい方の
$x=0$ のとき $0$
が極大値
解答イ:0, ウ:0
小さい方の
$x=2$ のとき $-\dfrac{4}{3}$
が極小値である。
解答エ:2, オ:-, カ:4, キ:3
別解
おすすめでもないけど、イ~キを $F(x)$ の式を求めて解くと次のようになる。
式Aを計算すると
$$
\begin{align}
F(x)&=\int_{0}^{x}(t^{2}-2t)\,dt\\
&=\left[\dfrac{1}{3}t^{3}-t^{2}\right]^{x}_{0}\\
&=\dfrac{1}{3}x^{3}-x^{2}\class{tex_formula}{式D}
\end{align}
$$
となる。
また、式Bより、$x=0$,$2$ のとき $F'(x)=0$ なので、
$F(x)$ は $x=0$,$2$ のときに
極値 $F(0)$,$F(2)$ をとる
ことが分かる。
$F(0)$ は、式Dに $x=0$ を代入して
$$
\begin{align}
F(0)&=\dfrac{1}{3}\cdot 0^{3}-0^{2}\\
&=0
\end{align}
$$
$F(2)$ は、式Dに $x=2$ を代入して
$$
\begin{align}
F(2)&=\dfrac{1}{3}\cdot 2^{3}-2^{2}\\
&=-\dfrac{4}{3}\class{tex_formula}{式C}
\end{align}
$$
となるから、$F(x)$の極値は
$x=0$ のとき $0$
$x=2$ のとき $-\dfrac{4}{3}$
である。
このうち、極値が大きい方の
$x=0$ のとき $0$
が極大値
解答イ:0, ウ:0
小さい方の
$x=2$ のとき $-\dfrac{4}{3}$
が極小値だ。
解答エ:2, オ:-, カ:4, キ:3
式Cで求めた $F(2)$ はあとで使うんだけど、負の値は混乱のもとだ。
なので、$-F(2)=S$ とおいて
$\left\{\begin{array}{l}
F(2)=-S\\
S=\dfrac{4}{3}\class{tex_formula}{式E}
\end{array}\right.$
として、正の値 $S$ を使うことにする。
さらに、この $S$ は
$\displaystyle S=-F(2)=-\int_{0}^{2}t(t-2)\,dt$
だから、図Aの青い部分の面積、つまり
関数 $y=t(t-2)$ のグラフと $t$ 軸で囲まれた図形の面積
である。
(2)
(i)
図Aの $y=t(t-2)$ のグラフを見ると
$0\leqq t\leqq 2$ のとき
$y\leqq 0$
なので
$t(t-2)\leqq 0$
$t\leqq 0,\ 2\leqq t$ のとき
$y\geqq 0$
なので
$t(t-2)\geqq 0$
だ。
よって、$\left|t(t-2)\right|$ の絶対値をはずすと
$\left|t(t-2)\right|=\left\{\begin{array}{ll}
-t(t-2)& (0\leqq t\leqq 2)\\
t(t-2)& (t\leqq 0,\ 2\leqq t)
\end{array}\right.$
式F
となる。
解答ク:2, ケ:0
(ii)
ここで、$y=\left| t(t-2) \right|$ と $y=t(t-2)$ のグラフを考えると、
式Fより、 $y=\left| t(t-2) \right|$ のグラフは図Bの赤い曲線
$y=t(t-2)$ のグラフは図Aだから、図Bの緑の曲線
である。
図Bをもとに、
$\displaystyle G(x)=\int_{0}^{x}\left| t(t-2) \right|\,dt$
と
$\displaystyle F(x)=\int_{0}^{x} t(t-2) \,dt$
の関係を考えよう。
$0\leqq x\leqq 2$ のとき
図Bより、$0\leqq x\leqq 2$ のとき、$G(x)$ は
$\displaystyle G(x)=\int_{0}^{x}\{-t(t-2)\}\,dt$
とかける。
解答コ:2
これはさらに
$\displaystyle G(x)=-\textcolor{red}{\int_{0}^{x}t(t-2)\,dt}$
となるけど、この式の赤い部分は $F(x)$ なので、
$G(x)=-F(x)$式G
と表せる。
解答サ:9
$2\leqq x$ のとき
図Bより、$2\leqq x$ のとき、$G(x)$は
$$
\begin{align}
G(x)=\int_{0}^{2}\{-t(t-2)\}\,dt+\int_{2}^{x}t(t-2)\,dt
\end{align}
$$
とかける。
解答シ:0
これはさらに
$\displaystyle G(x)=-\textcolor{red}{\int_{0}^{2}t(t-2)\,dt}+\int_{2}^{x}t(t-2)\,dt$
となるけど、赤い部分は $F(2)=-S$ なので
$\displaystyle G(x)=\textcolor{red}{S}+\int_{2}^{x}t(t-2)\,dt$式H
と表せる。
また、このときの $F(x)$ は
$$
\begin{align}
F(x)=\textcolor{red}{\int_{0}^{2}t(t-2)\,dt}+\int_{2}^{x}t(t-2)\,dt
\end{align}
$$
となるけど、赤い部分は $F(2)=-S$ なので
$\displaystyle F(x)=\textcolor{red}{-S}+\int_{2}^{x}t(t-2)\,dt$式I
とかける。
式Iの右辺に $2S$ をたすと式Hの右辺になるから
$G(x)=F(x)+2S$式J
だ。
これに式Eの
$S=\dfrac{4}{3}$
を代入すると、
$$
\begin{align}
G(x)&=F(x)+2\times\dfrac{4}{3}\\
&=F(x)+\dfrac{8}{3}
\end{align}
$$
であることが分かる。
解答ス:2
別解
グラフで考えると次のようになる。
見た目はかなり違うけど、やっていることは上の解法と全く同じだ。
$0\leqq x\leqq 2$のとき
$0\leqq x\leqq 2$ のとき、直線 $t=x$ は例えば図Cのような位置にある。
なので、$G(x)$は
$\displaystyle G(x)=\int_{0}^{x}\{-t(t-2)\}\,dt$
とかける。
解答コ:2
このとき、
$G(x)$ は図Cの黄色い部分の面積
$F(x)$ は図Cの青い部分だけど、
横軸より下の部分なので負の値
だ。
図Cの黄色と青の面積は等しいから、
$0\leqq x\leqq 2$ のとき
$G(x)=-F(x)$式G
と表せる。
解答サ:9
$2\leqq x$ のとき
$2\leqq x$ のとき、直線 $t=x$ は例えば図Dのような位置にある。
なので、$G(x)$は
$$
\begin{align}
G(x)=\int_{0}^{2}\{-t(t-2)\}\,dt+\int_{2}^{x}t(t-2)\,dt
\end{align}
$$
とかける。
解答シ:0
これを図Dの色がついた部分の面積で表すと、
$G(x)=$ 黄 $+$ 紫式K
となる。
図Dの黄色い部分は青い部分と同じ面積だ。
また、青い部分の面積は、(1)の最後に考えたように $S$ だった。
よって、式Kはさらに
$G(x)=S+$ 紫式K'
と表せる。
また、このときの $F(x)$ は、横軸より下の面積は負の値になるので
$$
\begin{align}
F(x)&=-\text{青}+\text{紫}\\
&=-S+\text{紫}\class{tex_formula}{式L}
\end{align}
$$
とかける。
式Lの右辺に $2S$ をたすと式K'の右辺になるから、$2\leqq x$ のとき
$G(x)=F(x)+2S$式J
と表せる。
これに式Eの
$S=\dfrac{4}{3}$
を代入すると、
$$
\begin{align}
G(x)&=F(x)+2\times \dfrac{4}{3}\\
&=F(x)+\dfrac{8}{3}
\end{align}
$$
であることが分かる。
解答ス:2
(iii)
さらに、$y=G(x)$ のグラフの概形を考える。
$G(x)$ の式を微分すると、(1)の復習より
$$
\begin{align}
G'(x)&=\dfrac{d}{dx}\int_{0}^{x}\left|t(t-2)\right|\,dt\\
&=\left|x(x-2)\right|
\end{align}
$$
となるから、$y=G'(x)$ のグラフは図Eのようになる。
これは $G(x)$ の導関数のグラフだから、$y$ 座標は $y=G(x)$ の傾きだ。
なので、図Eより、$y=G(x)$ について、
傾きが負になることはない
$0\leqq x\leqq 2$ では
$x=1$ で傾きが最大
$x=0$,$x=2$ に近づくほど傾きは小さくなる
$2\leqq x$ では
$x$ が大きくなるほど傾きも大きくなる
ことが分かる
選択肢のうちでこれに当てはまるのは
②
しかない。
解答:セ:2
別解
導関数ではなく $y=G(x)$ 自体を考えると、次のような解法になる。
(1)で考えたように、$F(x)$ は
$x=0$ のとき極大値 $0$
$x=2$ のとき極小値 $-S$
をとった。
よって、$y=F(x)$ のグラフの概形は図Fのようになる。
また、(2)(ii)の式G,式Jより、$G(x)$ と $F(x)$ の関係は
$G(x)=\left\{\begin{array}{ll}
-F(x)& (0\leqq x\leqq 2)\\
F(x)+2S& (2\leqq x)
\end{array}\right.$
だった。
なので、$y=G(x)$ のグラフは、図Gのように
$0\leqq x\leqq 2$ では
$y=F(x)$ を $x$ 軸に関して対称移動した、赤い曲線
$2\leqq x$ では
$y=F(x)$ を $y$ 軸方向に $2S$ 平行移動した、オレンジの曲線
になる。
したがって、選択肢のうちで正しいものは
②
だ。
解答:セ:2
(3)
(2)(ii) から分かること
$t(t-2)$ を $(t-\textcolor{dodgerblue}{0})(t-\textcolor{red}{2})$ と考えると、$G(x)$,$F(x)$ は
$\left\{\begin{array}{l}
\displaystyle G(x)=\int_{\textcolor{dodgerblue}{0}}^{x}\left| (t-\textcolor{dodgerblue}{0})(t-\textcolor{red}{2}) \right|\,dt\\
\displaystyle F(x)=\int_{\textcolor{dodgerblue}{0}}^{x}(t-\textcolor{dodgerblue}{0})(t-\textcolor{red}{2})\,dt
\end{array}\right.$
とかける。
この $G(x)$ と $F(x)$ を使って考える。
(2)(ii) の式G,式Jより、$G(x)$ と $F(x)$ の関係は
$G(x)=\left\{\begin{array}{ll}
-F(x)& (\textcolor{dodgerblue }{0}\leqq x\leqq \textcolor{red}{2})\\
F(x)+2S& (\textcolor{red}{2}\leqq x)
\end{array}\right.$
だった。
これを変形すると、
$\textcolor{dodgerblue }{0}\leqq x\leqq \textcolor{red}{2}$ のとき
$G(x)-F(x)=-2F(x)$
$\textcolor{red}{2}\leqq x$ のとき
$G(x)-F(x)=2S$
と表せる。
よって、
$\textcolor{red}{2}\leqq x$ のとき、
$G(x)-F(x)$ は一定の値 $2S$
をとる。
また、(1)の最後に考えたように、$S$ は
$y=(t-\textcolor{dodgerblue }{0})(t-\textcolor{red}{2})$ と $t$ 軸で囲まれた部分の面積
だったから、一定の値 $2S$ は
$y=(t-\textcolor{dodgerblue }{0})(t-\textcolor{red}{2})$ と $t$ 軸で囲まれた部分の面積の $2$ 倍
にあたる。
したがって、$\alpha \lt \beta$ のとき、上の「(2)(ii) から分かること」の
$\textcolor{dodgerblue}{0}$ を $\textcolor{dodgerblue}{\alpha}$ に
$\textcolor{red}{2}$ を $\textcolor{red}{\beta}$ に
おきかえると、次のことが予想できる。
$\left\{\begin{array}{l}
\displaystyle J(x)=\int_{\textcolor{dodgerblue}{\alpha}}^{x}\left| (t-\textcolor{dodgerblue}{\alpha})(t-\textcolor{red}{\beta}) \right|\,dt\\
\displaystyle I(x)=\int_{\textcolor{dodgerblue}{\alpha}}^{x}(t-\textcolor{dodgerblue}{\alpha})(t-\textcolor{red}{\beta})\,dt
\end{array}\right.$
について、
$\textcolor{red}{\beta}\leqq x$ のとき、$J(x)-I(x)$ は一定の値をとる。 その一定の値は、$y=(t-\textcolor{dodgerblue}{\alpha})(t-\textcolor{red}{\beta})$ と $t$ 軸で囲まれた部分の面積の $2$ 倍にあたる。
いまは、$\alpha \lt \beta$ かつ $\alpha\leqq x$ のときの
$$
\begin{align}
H(x)=&\textcolor{green}{\int_{\alpha}^{x}\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|\,dt}\\
&\qquad -\textcolor{blueviolet}{\int_{\alpha}^{x}(t-\alpha)(t-\beta)\,dt}
\end{align}
$$
式M
について問われている。
式Mの緑の部分は※の $\textcolor{green}{J(x)}$,紫の部分は $\textcolor{blueviolet}{I(x)}$ なので、※より、
$\textcolor{red}{\beta}\leqq x$ のとき、
$H(x)=\textcolor{green}{J(x)}-\textcolor{blueviolet}{I(x)}$
は一定の値をとる。
と考えられる。
解答ソ:3
その一定の値は、※より
$y=(t-\alpha)(t-\beta)$ と $t$ 軸で囲まれた部分の面積の $2$ 倍
である。
これを
$y=(x-\alpha)(x-\beta)$ と $x$ 軸で囲まれた部分の面積の $2$ 倍
と言いかえても値は変わらない。
解答タ:2
別解1
(2)(ii) の結果を使わずに、単純に計算で求めると、次のようになる。
$$
\begin{align}
H(x)=&\int_{\alpha}^{x}\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|\,dt\\
&\qquad -\int_{\alpha}^{x}(t-\alpha)(t-\beta)\,dt
\end{align}
$$
式M
を考える。
$\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|$ の絶対値をはずすと、
$\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|=\left\{\begin{array}{l}
-(t-\alpha)(t-\beta)\\
\hspace{72px} (\alpha\leqq t\leqq\beta)\\
(t-\alpha)(t-\beta)\\
\hspace{72px} (\beta\leqq t)
\end{array}\right.$
式N
となる。
式が長くて面倒だから
$(t-\alpha)(t-\beta)=h(t)$
とおくと、式M,式Nは
$\displaystyle H(x)=\int_{\alpha}^{x}\left|h(t)\right|\,dt-\int_{\alpha}^{x}h(t)\,dt$
式M'
$\left|h(t)\right|=\left\{\begin{array}{ll}
-h(t)&(\alpha\leqq t\leqq\beta)\\
h(t)&(\beta\leqq t)
\end{array}\right.$
式N'
とかける。
式M',式N'より、
$\alpha\leqq x\leqq\beta$ のとき、
$$
\begin{align}
H(x)&=\int_{\alpha}^{x}\left\{-h(t)\right\}\,dt-\int_{\alpha}^{x}h(t)\,dt\\
&=-2\int_{\alpha}^{x}h(t)\,dt
\end{align}
$$
$\beta\leqq x$ のとき、
$$
\begin{align}
H(x)&=\left\{\int_{\alpha}^{\beta}\left\{-h(t)\right\}\,dt+\textcolor{red}{\cancel{\textcolor{black}{\int_{\beta}^{x}h(t)\,dt}}}\right\}\\
&\qquad-\left\{\int_{\alpha}^{\beta}h(t)\,dt+\textcolor{red}{\cancel{\textcolor{black}{\int_{\beta}^{x}h(t)\,dt}}}\right\}\\
&=-2\int_{\alpha}^{\beta}h(t)\,dt\class{tex_formula}{式O}
\end{align}
$$
と表せる。
式Oは $x$ の値にかかわらず一定の値だ。
したがって、求めるソの範囲は
$\beta\leqq x$
である。
解答ソ:3
このときの $H(x)$ の値は、式Oの $h(t)$ をもとにもどして
$\displaystyle -2\textcolor{dodgerblue}{\int_{\alpha}^{\beta}(t-\alpha)(t-\beta)\,dt}$式P
と表せる。
この式の青い部分は
$y=(t-\alpha)(t-\beta)$ と $t$ 軸で囲まれた部分の面積の $-1$ 倍
だ。(横軸より下の面積は負の値になる)
これは
$y=(x-\alpha)(x-\beta)$ と $x$ 軸で囲まれた部分の面積の $-1$ 倍
と等しい。
よって、式Pの値、つまりこのときの $H(x)$ の値は
$y=(x-\alpha)(x-\beta)$ と $x$ 軸で囲まれた部分の面積の $2$ 倍
である。
解答タ:2
別解2
せっかくだから、もうひとつ別解を載せておこう。
あまりお勧めでもない方法なので、興味がない人は読まなくても大丈夫。
$\alpha \lt \beta$ かつ $\alpha\leqq x$ のとき、
$$
\begin{align}
H(x)=&\int_{\alpha}^{x}\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|\,dt\\
&\qquad -\int_{\alpha}^{x}(t-\alpha)(t-\beta)\,dt
\end{align}
$$
式M
を
$\displaystyle H(x)=\int_{\alpha}^{x}\left\{\textcolor{red}{\begin{aligned}&\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|\\&\qquad-(t-\alpha)(t-\beta)\end{aligned}}\right\}\,dt$
と変形して、赤い部分を$k(t)$とおくと
$\displaystyle H(x)=\int_{\alpha}^{x}\textcolor{red}{k(t)}\,dt$
$k(t)=\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|-(t-\alpha)(t-\beta)$
式Q
とかける。
(2)(i) と同様に $\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|$ の絶対値をはずすと、
$\left|(t-\alpha)(t-\beta)\right|=\left\{\begin{array}{l}
-(t-\alpha)(t-\beta)\\
\hspace{72px} (\alpha\leqq t\leqq\beta)\\
(t-\alpha)(t-\beta)\\
\hspace{72px} (t\leqq\alpha,\ \beta\leqq t)
\end{array}\right.$
となる。
これを式Qに代入すると
$\alpha\leqq t\leqq\beta$ のとき
$$
\begin{align}
k(t)&=-(t-\alpha)(t-\beta)-(t-\alpha)(t-\beta)\\
&=-2(t-\alpha)(t-\beta)
\end{align}
$$
$t\leqq\alpha,\ \beta\leqq t$ のとき
$$
\begin{align}
k(t)&=(t-\alpha)(t-\beta)-(t-\alpha)(t-\beta)\\
&=0
\end{align}
$$
となるから、$k(t)$ は
$k(t)=\left\{\begin{array}{ll}
-2(t-\alpha)(t-\beta)& (\alpha\leqq t\leqq\beta)\\
0& (t\leqq\alpha,\ \beta\leqq t)
\end{array}\right.$
と表せる。
よって、$y=k(t)$ のグラフは図Hの赤い線だ。
今問われているのは、$\alpha \leqq x$ のとき、$H(x)$ の値が一定になるような $x$ の範囲だ。
$\displaystyle H(x)=\int_{\alpha}^{x}k(t)\,dt$
なので、$H(x)$ は、図Hの赤い線と横軸、そして直線 $t=x$ で囲まれた部分の面積である。
図Hより
$\beta\leqq t$
の部分では $y=k(t)$ のグラフと横軸が重なっているから、面積は $0$ だ。
よって、$x$ がこの範囲を動くとき、つまり
$\beta\leqq x$
のとき、$H(x)$ の値は変化せず一定になる。
解答ソ:3
また、このとき、$H(x)$ の値は図Hの黄色い部分の面積と等しい。
黄色い部分の面積は青い部分の面積の $2$ 倍、つまり
関数 $y=(t-\alpha)(t-\beta)$ のグラフと $t$ 軸で囲まれた面積の $2$ 倍
である。
これを
関数 $y=(x-\alpha)(x-\beta)$ のグラフと $x$ 軸で囲まれた面積の $2$ 倍
と言いかえても 値は変わらない。
したがって、タの選択肢のうち正しいものは
②
である。
解答タ:2