放物線y=x^2のうち-1≦x≦1を満たす部分をCとする。座標平面上の原点Oと点A(1,0)を考える。k>0を実数とする。点PがC上を動き、点Qが線分OA上を動くとき、
OR→=(1/k)・OP→+k・OQ→
を満たす点Rが動く領域の面積S(k)を求めよ。
P(s,s^2)、Q(t,0)とします。ただし、-1≦s≦1、0≦t≦1です。
R(x,y)とします。
-1≦s≦1…(1)
0≦t≦1…(2)
x=s/k+kt…(3)
y=s^2/k…(4)
xを定数と見て、(1)、(2)、(3)、(4)を満たすs、tが存在するためのyの条件を求めます。
(3)より、s=kx-k^2tで、これを(1)に代入して、
(kx-1)/k^2≦t≦(kx+1)/k^2…(5)
s=kx-k^2tを(4)に代入して、
y=k^3(t-x/k)^2…(6)
あとは(2)と(5)から変数tの変域が決まるので、xt平面に図示して、各xに対するtの変域を求め、そのtの変域に対して、2次関数(6)からyの変域を求めればいいのかなと思ったんですが、ここから先がうまくいきません。この続きをどのように進めればいいのでしょうか。教えてください。よろしくお願いします。
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No.56616 - 2019/02/09(Sat) 18:00:42
| ☆ Re: 領域 / X | | | これは数式で詰めるよりも図形的に考えるべき問題です。 ポイントは ↑OR=(1/k)↑OP+k↑OQ の右辺の第二項の k↑OQ を
(1/k)↑OPで決まる軌跡(領域ではありませんよ) をx軸方向に平行移動させる項
と読み替える、という点です。
まず ↑OU=(1/k)↑OP なる点Uの軌跡を考えます。 P(t,t^2),U(X,Y) とすると X=t/k Y=(1/k)t^2 これよりtを消去すると Y=kX^2 一方、条件から -1≦t≦1 ∴-1/k≦X≦1/k ということで点Uの軌跡は 放物線y=kx^2 (-1/k≦x≦1/k) (A) さて、条件から Q(u,0) (0≦u≦1) とし ↑OV=k↑OQ なる点V(v,0)を考えると v=ku ∴0≦v≦k 更に以上のとき ↑OR=↑OU+↑OV このことと、↑OVがx軸に平行であることに注意すると 点Rの存在範囲は
放物線の一部である(A)が x軸方向にkだけ平行移動する間に (A)が掃いていく範囲
ということになります。
問題はここからで、(A)の平行移動後の曲線である 放物線 y=k(x-k)^2 (-1/k+k≦x≦1/k+k) (B) と(A)が交点を持つか否かで場合分けをする必要があります。
(i)-1/k+k≦1/k、つまり0<k≦√2のとき (A)(B)が点(k/2,(1/4)k^3)なる交点を持つ ことに注意すると、点Rの存在範囲は 以下の線分、直線で囲まれた図形の周及び内部 となります。 y=kx^2 (-1/k≦x≦0,k/2≦x≦1/k) y=k(x-k)^2(-1/k+k≦x≦k/2,k≦x≦1/k+k) y=1/k (-1/k≦x≦-1/k+k,1/k≦x≦1/k+k) y=0 (0≦x≦k)
(ii)-1/k+k>1/k、つまり√2<kのとき (A)(B)は交点を持たず、点Rの存在範囲は 以下の線分、直線で囲まれた図形の周及び内部 となります。 y=kx^2 (-1/k≦x≦0) y=k(x-k)^2(k≦x≦1/k+k) y=1/k (-1/k≦x≦1/k+k) y=0 (0≦x≦k)
(つまり、(i)の領域は(ii)の領域の上部中央付近に V字型の切れ込みを入れたような形状になります。)
後は(i)(ii)の領域を図示した上で面積を求めることを 考えます。
((i)(ii)共に得られる領域が 直線x=k/2に関して対称 となっていることに注意すれば、 面積の計算は多少簡単になります。)
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No.56620 - 2019/02/09(Sat) 18:39:44 |
| ☆ Re: 領域 / X | | | ちなみに瑠璃さんの方針ですが、(6)をtの二次関数 と捉えずにtの二次方程式として考えるのであれば (6)より (k^3)(t-x/k)^2-y=0 となることから f(t)=(k^3)(t-x/k)^2-y (6)' と置き、横軸にt、縦軸にf(t)を取ったグラフが
(2)かつ(5)で定められるtの値の範囲 (P) でt軸と少なくとも一つ交点を持つ条件
を求める、という方針が考えられます。
ですが、問題なのは(P)の求め方です。 これは(2)(5)の左辺、右辺の大小関係について (i)(kx-1)/k^2≦0≦(kx+1)/k^2≦1のとき (ii)0≦(kx-1)/k^2≦1≦(kx+1)/k^2のとき (iii)(kx-1)/k^2<0かつ1<(kx+1)/k^2のとき で場合分けが必要になります 更に(i)(ii)については、2通りの場合分けが必要となり 計算が煩雑になります。
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No.56626 - 2019/02/09(Sat) 20:44:53 |
| ☆ Re: 領域 / 瑠璃 | | | No.56628 - 2019/02/09(Sat) 22:05:50 |
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