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千葉大学/2025年度

千葉大学 2025年 数学 第6問解答・解説

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1問題

千葉大学2025年度第6問

座標平面上に、曲線 D: y = log x (x > 0) とその上の点 A(a, log a) がある。半径 r の円 C は y 軸に接し、かつ、円 C は曲線 D と点 A で同一の接線を持つ。さらに、r < a が成り立つ。このとき、以下の問いに答えよ。(1) r を a を用いて表せ。(2) r > a/2 となることを示せ。(3) a = √3 のとき、x 軸、y 軸、円 C の下半分と曲線 D によって囲まれる領域の面積を求めよ。

まずは自分で解いてみましょう。詰まったら「考え方」、解けたら「答え」で確かめられます。

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • (1) r=a√(1+a²)/(1+√(1+a²))。(2)r>a/2(2) r>a/2。(3) 面積は 11√3/6−1−4π/9。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

PDF p11印刷問6のr<a、同一接線、円下半分の領域を確認。表紙が参照する裏表紙選択表は収録末尾p19,p20白紙で未収録。医学部対応は固定書誌による留保を保持。

(1) 曲線 DD の点 AA における接線の傾きは 1/a1/a である。円の中心を K=(u,v)K=(u,v) とおくと、u=±ru=\pm r であり、半径 KAKA は接線に垂直だから、 v−log⁡a=−a(u−a)=a(a−u),r2=(a−u)2+(v−log⁡a)2=(a−u)2(1+a2).v-\log a=-a(u-a)=a(a-u),\qquad r^2=(a-u)^2+(v-\log a)^2=(a-u)^2(1+a^2). S=1+a2>1S=\sqrt{1+a^2}>1 とすると r=∣a−u∣Sr=|a-u|S である。u=−ru=-r なら r=(a+r)S>rr=(a+r)S>r となり矛盾する。よって u=ru=r であり、仮定 r<ar<a から r=(a−r)Sr=(a-r)S となる。したがって r=aS1+S=a1+a21+1+a2.\displaystyle r=\frac{aS}{1+S}=\frac{a\sqrt{1+a^2}}{1+\sqrt{1+a^2}}.

(2) S=1+a2>1S=\sqrt{1+a^2}>1 より ra=S1+S>12,\displaystyle \frac{r}{a}=\frac{S}{1+S}>\frac12, したがって r>a/2r>a/2 である。

(3) a=3a=\sqrt3 のとき S=2S=2、r=23/3r=2\sqrt3/3 である。中心の yy 座標を kk とすると、接線条件から k=log⁡a+a(a−r)=1+log⁡3k=\log a+a(a-r)=1+\log\sqrt3 であり、円の下半分は g(x)=k−r2−(x−r)2(0≦x≦2r)g(x)=k-\sqrt{r^2-(x-r)^2}\qquad(0\le x\le 2r) と表せる。log⁡3=∫13dtt>12+13=56\displaystyle \log3=\int_1^3\frac{dt}{t}>\frac12+\frac13=\frac56 より k−r>1712−233>0\displaystyle k-r>\frac{17}{12}-\frac{2\sqrt3}{3}>0 である(最後の不等号は 172>19217^2>192 による)。したがってこの円弧は xx 軸より上にある。また g(a)=log⁡ag(a)=\log a、g′(a)=1/ag'(a)=1/a であり、h(x)=g(x)−log⁡xh(x)=g(x)-\log x とおけば h′′(x)=r2(r2−(x−r)2)3/2+1x2>0.\displaystyle h''(x)=\frac{r^2}{\bigl(r^2-(x-r)^2\bigr)^{3/2}}+\frac1{x^2}>0. ゆえに h′(a)=h(a)=0h'(a)=h(a)=0 から h(x)>0h(x)>0(1≦x<a1\le x<a)。0<x≦10<x\le1 では log⁡x≦0<g(x)\log x\le0<g(x) だから、求める領域の面積は A=∫0ag(x) dx−∫1alog⁡x dx=ak−J−(alog⁡a−a+1),\displaystyle A=\int_0^a g(x)\,dx-\int_1^a \log x\,dx =ak-J-(a\log a-a+1), ただし J=∫0ar2−(x−r)2 dx\displaystyle J=\int_0^a\sqrt{r^2-(x-r)^2}\,dx である。a−r=r/2a-r=r/2 なので、半円の中心を原点に移したとき、JJ は中心角 2π/32\pi/3 の扇形と、底辺 r/2r/2・高さ 3r/2\sqrt3r/2 の直角三角形の面積の和になる。したがって J=12r2⋅2π3+12⋅r2⋅3r2=πr23+3r28=4π9+36.\displaystyle J=\frac12r^2\cdot\frac{2\pi}{3}+\frac12\cdot\frac r2\cdot\frac{\sqrt3r}{2} =\frac{\pi r^2}{3}+\frac{\sqrt3r^2}{8} =\frac{4\pi}{9}+\frac{\sqrt3}{6}. さらに k=1+log⁡ak=1+\log a より A=2a−1−J=1136−1−4π9.\displaystyle A=2a-1-J=\boxed{\frac{11\sqrt3}{6}-1-\frac{4\pi}{9}}.

この問題で使う考え方

  • 接線と法線
  • 面積積分
  • 凸性

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