面積の最大・最小

面積の最大最小問題です。
「面積を求める→最大最小値を求める(微分するなど)」が基本的な流れです。

 

(例題1)
座標平面上に \(y=x^2-(t^2-t)\) と 直線 \(y=-x\) がある。ただし、\(t\)は定数とする。
\(0≦x≦1\) において、放物線 \(y=x^2-(t^2-t)\) と 直線 \(y=-x\) にはさまれた部分の面積を\(S\)とする。
(1)\(t≧1\) のとき、\(S\)を\(t\)で表せ。
(2)\(t≧1\) のとき、\(S\)の最小値を求めよ。

 

 

(解答)
(1)

放物線は\(t\)によって変化して、直線は固定です。
まずは放物線の位置や、直線との位置関係を調べます。(交点などを求めていきます)

\(-(t^2-t)=-t(t-1)≦0\) (∵ \(t≧1\))
よって放物線の\(y\)切片は\(0\)以下になる。

また \(x^2-(t^2-t)=-x\) より
\(x^2+x-t(t-1)=0\)
\((x+t)\{x-(t-1)\}=0\)
よって放物線と直線の交点の\(x\)座標は
\(x=-t,t-1\)

面積は \(0≦x≦1\) の部分を考えるので、\(x=-t\) (\(≦-1\)) のほうは考える必要がないです。\(x=t-1\) (\(≧0\)) については、\(0≦x≦1\) の範囲に入るか入らないかで図が変わってくるので場合分けします。

(ア) \(0≦t-1≦1\) つまり \(1≦t≦2\) のとき
交点の1つが \(0≦x≦1\) の範囲にあるので図は次の通り。

積分面積 最大 例題1-1

面積\(S\)は
\(S=\displaystyle\int_{0}^{t-1}\{-x-(x^2-t^2+t)\}dx+\displaystyle\int_{t-1}^{1}\{(x^2-t^2+t)-(-x)\}dx\)
(被積分関数を同じにするため、後半の積分区間を入れ替えて)
\(=\displaystyle\int_{0}^{t-1}(-x^2-x+t^2-t)dx+\displaystyle\int_{1}^{t-1}(-x^2-x+t^2-t)dx\)
\(=\left[-\displaystyle\frac{1}{3}x^3-\displaystyle\frac{1}{2}x^2+(t^2-t)x\right]_{0}^{t-1}+\left[-\displaystyle\frac{1}{3}x^3-\displaystyle\frac{1}{2}x^2+(t^2-t)x\right]_{1}^{t-1}\)
\(=2×\{-\displaystyle\frac{1}{3}(t-1)^3-\displaystyle\frac{1}{2}(t-1)^2+(t^2-t)(t-1)\}-\left(-\displaystyle\frac{1}{3}-\displaystyle\frac{1}{2}+t^2-t\right)\)
(展開して計算すると)
\(=\displaystyle\frac{4}{3}t^3-4t^2+3t+\displaystyle\frac{1}{2}\)

 

(イ)\(t-1≧1\) つまり \(t≧2\) のとき
交点は\(0≦x≦1\) の範囲にないので図は次の通り。

積分面積 最大 例題1-2

面積\(S\)は
\(S=\displaystyle\int_{0}^{1}\{-x-(x^2-t^2+t)\}dx\)
\(=\displaystyle\int_{0}^{1}(-x^2-x+t^2-t)dx\)
\(=\left[-\displaystyle\frac{1}{3}x^3-\displaystyle\frac{1}{2}x^2+(t^2-t)x\right]_{0}^{1}\)
\(=-\displaystyle\frac{1}{3}-\displaystyle\frac{1}{2}+(t^2-t)\)
\(=t^2-t-\displaystyle\frac{5}{6}\)

以上から面積\(S\)は
\(S=\displaystyle\frac{4}{3}t^3-4t^2+3t+\displaystyle\frac{1}{2}\) (\(1≦t≦2\))
\(S=t^2-t-\displaystyle\frac{5}{6}\) (\(t≧2\))

 

(2)

微分します。2次関数のほうは平方完成して考えてもよいです。

(1)で求めた\(S\)について、\(t\)で微分すると

\(1≦t≦2\) のとき
\(S’=4t^2-8t+3=(2t-1)(2t-3)\)

\(t≧2\) のとき
\(S’=2t-1\)

よって増減表は次の通り。

積分面積 最大 例題1-3

したがって 最小値は \(t=\displaystyle\frac{3}{2}\) のとき
\(S=\displaystyle\frac{4}{3}(\displaystyle\frac{3}{2})^3-4(\displaystyle\frac{3}{2})^2+3(\displaystyle\frac{3}{2})+\displaystyle\frac{1}{2}\)
\(=\displaystyle\frac{1}{2}\)

 

 

 

(例題2)
\(xy\)平面上において、\((0,0)\), \((1,0)\), \((1,1)\) \((0,1)\) を4頂点とする正方形の内部および周を領域\(D\)とする。また、2つの放物線
\(C_1:y=px^2\)
\(C_2:y=-q(x-1)^2+1\)
は共有点をただ1つ持ち、その点で接線を共有している。ただし、\(p,q\)は正の数である。

(1)\(\displaystyle\frac{1}{p}+\displaystyle\frac{1}{q}\) の値を求めよ。
(2)\(D\)のうち \(y≧px^2\) の部分の面積を\(S_1\)とし、\(D\)のうち \(y≦-q(x-1)^2+1\) の部分の面積を\(S_2\)とするとき、\(S=S_1+S_2\) を\(p,q\)を用いて表せ。
(3)\(S\)が最大となる\(p,q\)の値と、\(S\)の最大値を求めよ。

 

 

(解答)
(1)

放物線どうしが接してるので、「重解をもつ (判別式=0) 」を考えればいいでしょう。

\(px^2=-q(x-1)^2+1\) より
\((p+q)x^2-2qx+q-1=\)・・・①

①が重解をもつとき\(C_1,C_2\)が接するので
\(\displaystyle\frac{D}{4}=0\)
\(q^2-(p+q)(q-1)=0\)
\(-pq+p+q=0\)
\(p,q>0\) より両辺\(pq\)で割って
\(-1+\displaystyle\frac{1}{q}+\displaystyle\frac{1}{p}=0\)

\(\displaystyle\frac{1}{p}+\displaystyle\frac{1}{q}=1\)

 

(2)

図示します。なお接点の\(x\)座標は①の重解なので、\(x=\displaystyle\frac{q}{p+q}\)。これは \(0<x<1\) の範囲にあります。

接点の\(x\)座標は①の重解だから
\(x=\displaystyle\frac{q}{p+q}\)
\(p,q>0\)より
\(0<\displaystyle\frac{q}{p+q}<\displaystyle\frac{p+q}{p+q}=1\)
よって、接点の\(x\)座標は \(0<x<1\) の範囲にある。

また、\(C_1\)は\(0\)以上の値、\(C_2\)は\(1\)以下の値をとるので
接点は\(D\)内にある。

積分面積 最大 例題2

図において
点\(A\)の\(x\)座標\(α\)は
\(px^2=1\) を解いて
\(x=±\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}\)
大きい方が\(α\)だから
\(α=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}\)

点\(B\)の\(x\)座標\(β\)は
\(-q(x-1)^2+1=0\) を解いて
\(x=±\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}}+1\)
このうち小さいほうが\(β\)だから
\(β=-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}}+1\)

したがって
\(S_1=\displaystyle\int_{0}^{\frac{1}{\sqrt{p}}}(1-px^2)dx\)
\(=\left[x-\displaystyle\frac{1}{3}px^3\right]_{0}^{\frac{1}{\sqrt{p}}}\)
\(=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}-\displaystyle\frac{1}{3\sqrt{p}}\)
\(=\displaystyle\frac{2}{3\sqrt{p}}\)

\(S_2=\displaystyle\int_{-\frac{1}{\sqrt{q}}+1}^{1}\{-q(x-1)^2+1\}dx\)
\(=\left[-\displaystyle\frac{q}{3}(x-1)^3+x\right]_{-\frac{1}{\sqrt{q}}+1}^{1}\)
\(=1-\left(\displaystyle\frac{1}{3\sqrt{q}}-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}}+1\right)\)
\(=\displaystyle\frac{2}{3\sqrt{q}}\)

以上より
\(S=\displaystyle\frac{2}{3}(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}+\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}})\)

 

(3)

\(p,q>0\)と、(1)で求めた \(\displaystyle\frac{1}{p}+\displaystyle\frac{1}{q}=1\) のもとでの、
\(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}+\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}}\) の最大値を求めます。つまり条件付き最大(最小)問題です。
単純に1文字消去だと、無理関数の微分(数Ⅲ)が必要になっていきます。
したがって別の方法を模索すると、\(\displaystyle\frac{1}{p}+\displaystyle\frac{1}{q}=1\)を活かすために、\(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}+\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}}\) のほうを2乗することを考えます。(正の数なので2乗して最大値を考えてもよい)
他にもいろいろ解法があると思いますが、別解については少しだけ最後に話したいと思います。

\(S=\displaystyle\frac{2}{3}(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}+\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}})\) より
\(F=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}+\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}}\) の最大値を考えればよい。

\(F>0\) より \(F^2\) の最大値を求めればよく

\(p,q>0\), \(\displaystyle\frac{1}{p}+\displaystyle\frac{1}{q}=1\) に注意して

\(F^2=\displaystyle\frac{2}{\sqrt{pq}}+\displaystyle\frac{1}{p}+\displaystyle\frac{1}{q}\)

\(=2\sqrt{\displaystyle\frac{1}{p}\cdot\displaystyle\frac{1}{q}}+1\)

\(=2\sqrt{\displaystyle\frac{1}{p}(1-\displaystyle\frac{1}{p})}+1\)

\(=2\sqrt{-(\displaystyle\frac{1}{p}-\displaystyle\frac{1}{2})^2+\displaystyle\frac{1}{4}}+1\)・・・②

文字消去なので、範囲に注意します。

ここで、
\(\displaystyle\frac{1}{q}=1-\displaystyle\frac{1}{p}\) と \(q>0\) より
\(1-\displaystyle\frac{1}{p}>0\)
\(\displaystyle\frac{1}{p}<1\)

\(p>0\) とあわせて
\(0<\displaystyle\frac{1}{p}<1\)

この範囲における②の最大値は
\(\displaystyle\frac{1}{p}=\displaystyle\frac{1}{2}\) のとき
つまり \(p=2\)
\(F^2=2\sqrt{\displaystyle\frac{1}{4}}+1=2\)

\(F\)の最大値は \(\sqrt{2}\) となるから
\(S\)の最大値は
\(S=\displaystyle\frac{2\sqrt{2}}{3}\)

このとき
\(\displaystyle\frac{1}{q}=1-\displaystyle\frac{1}{2}=\displaystyle\frac{1}{2}\)
よって \(q=2\)

 

※別解について
他にも、条件式 \(\displaystyle\frac{1}{p}+\displaystyle\frac{1}{q}=1\) を
\((\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}})^2+(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}})^2=1\)
と見れば、円上の点に置き換えることができて
\(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}}=\cosθ\), \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}}=\sinθ\)
(\(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{p}},\displaystyle\frac{1}{\sqrt{q}}\) のどちらも正だから、\(0°<θ<90°\))
として、\(S=\displaystyle\frac{2}{3}(\cosθ+\sinθ)\) の最大値を求める方法もあります(三角関数の合成を使う)。

他にはコーシー・シュワルツの不等式を利用しても解けます(私はこれが最初に思いつきました)

 

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見て頂きありがとうございました。
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