「藤田医科大学の数学は、**問題1の小問集合(9問)でいかにミスなくスピード処理できるか**、そして**問題2・問題3の記述問題で論理の穴を作らず完答できるか**が合否を分けます!赤本で省略されがちな『なぜその変形をするのか?』『どこで引っかかりやすいのか?』を1ステップずつすべて書き下しました。一緒に完璧にマスターしましょう!」
⚡ 解答一覧(スピードチェック)
まずはこちらで自分の答え合わせ!問題1(マーク・空欄補充:小問集合)
問題2(2つの放物線と共通接線・面積)
- (1) 直線 $\ell$ の方程式: $y = 2(k-1)x - k^2 + 2$
- (2) 囲まれた部分の面積: $\dfrac{2}{3}$
問題3(指数型ディオファントス方程式)
求める整数組 $(m, n)$: $(m, n) = (1, 1),\ (2, 5)$
問題1:小問集合(全9問)
目標時間:35〜40分
問題1は幅広い単元から9問出題されています。(1)の$y$軸回転の体積(バウムクーヘン積分または逆関数)、(3)の実数解条件の落とし穴、(5)の$x \to -\infty$ のルート変形、(7)の平面図形(座標設定で一撃!)が合否を分ける最重要ポイントです!1問ずつ確実に仕留めていきましょう!
問題1 (1) 法線の方程式と $y$ 軸まわりの回転体の体積
$xy$ 平面において、曲線 $C: y = x^3 - x$ の $x=0$ における法線 $\ell$ の傾きは ア であり、曲線 $C$ と法線 $\ell$ と直線 $x=1$ と $x=-1$ で囲まれた部分を $y$ 軸のまわりに1回転してできる立体の体積は $\dfrac{\fbox{イ}}{\fbox{ウ}}\pi$ である。
曲線 $C$ の式は $f(x) = x^3 - x$ です。まずは微分して導関数 $f'(x)$ を求めましょう。
$x = 0$ における接線の傾きは、$f'(0) = 3(0)^2 - 1 = -1$ です。
法線とは、接点を通り接線に垂直な直線のことです。2直線が垂直に交わるとき、「(接線の傾き)$\times$(法線の傾き)$= -1$」となるので、法線 $\ell$ の傾きを $m$ とすると、
よって、ア = $1$ です。また、点 $(0, 0)$ を通る傾き $1$ の直線なので、法線 $\ell$ の方程式は $y = x$ となります。
上の図を見てください!曲線 $C: y = x^3 - x$ も法線 $\ell: y = x$ も、ともに原点対称(奇関数)です。
ここで超重要な注意点があります。右側($0 \le x \le 1$)の黄色い領域と、左側($-1 \le x \le 0$)の青い領域を $y$ 軸のまわりに1回転させると、回転後の立体は $y>0$ の部分と $y<0$ の部分で互いに重なりません!($0 \le x \le 1$ では $x^3-x \le y \le x$、$-1 \le x \le 0$ では $x \le y \le x^3-x$ であり、原点対称な位置にあります)。
したがって、右側($0 \le x \le 1$)の黄色い領域を $y$ 軸のまわりに1回転させた体積を $V_1$ とすると、求める全体の体積 $V$ はその2倍($V = 2V_1$)になります!
$0 \le x \le 1$ において、上側の関数は $y_{\text{上}} = x$、下側の関数は $y_{\text{下}} = x^3 - x$ です。
【解法A:バウムクーヘン積分(マーク試験で圧倒的に速い!)】
$x$ の位置における縦の長さ(高さ)は $h(x) = x - (x^3 - x) = 2x - x^3$ です。これを $y$ 軸(半径 $x$)のまわりに回転させた円筒の側面積 $2\pi x h(x)$ を $x=0$ から $x=1$ まで積分すると、
⚠️ ニックニ先生の「超重要トラップ警告!」
ちょっと待ってください!先ほど「右側と左側が重ならないか?」を確認すると言いましたが、図をよく見てください!
・右側($0 \le x \le 1$)で曲線 $C: y = x^3 - x$ は $y \le 0$(第4象限)に潜り込んでいます!
・左側($-1 \le x \le 0$)でも、直線 $y = x$ は $y \le 0$(第3象限)を通っています!
つまり、$y$ 軸のまわりに回転させると、第3象限と第4象限の領域が重なります!
バウムクーヘン積分をそのまま2倍すると、重なった部分を二重に足してしまうのです!これこそ藤田医科大の最大の罠です。正確に $y$ の範囲で輪切り($\pi x^2$ の積分)にして確認しましょう!
【正確な輪切り法($\pi x^2 dy$)による重なりの完全解明】
$-1 \le x \le 1$ において、囲まれた領域を $y$ 軸に垂直な平面(高さ $y$)で切ります。
対象となる図形は原点対称なので、$y \ge 0$ の部分と $y \le 0$ の部分の体積は完全に等しいです。よって、$y \ge 0$ の部分の体積を求め、それを2倍すれば絶対に重なりミスが起きません!
では、領域のうち $y \ge 0$ の部分 がどうなっているか、$x \ge 0$ と $x \le 0$ に分けて見てみましょう。
-
第1象限($0 \le x \le 1,\ y \ge 0$)にある領域:
$0 \le x \le 1$ では $x^3 - x \le 0$ なので、$y \ge 0$ の部分は $0 \le y \le x$(かつ $0 \le x \le 1$) の直角二等辺三角形全体です!
これを $y$ について整理すると、高さ $y$($0 \le y \le 1$)において、$x$ は $y \le x \le 1$ の範囲にあります。 -
第2象限($-1 \le x \le 0,\ y \ge 0$)にある領域:
$-1 \le x \le 0$ では $y=x \le 0$ なので、$y \ge 0$ の部分は $0 \le y \le x^3 - x$ の山型の部分です。
この山の頂点(極大値)は $f'(x) = 3x^2 - 1 = 0 \implies x = -\dfrac{1}{\sqrt{3}}$ のときで、最大値は $y = \left(-\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)^3 - \left(-\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right) = \dfrac{2}{3\sqrt{3}} \fallingdotseq 0.385$ です。
ここで、第2象限の点を $y$ 軸のまわりに回転させて第1象限に折り返す($X = -x$ とおく)と、この山型の領域は第1象限において $0 \le y \le X - X^3$ となります!
ここで、第1象限にある直角二等辺三角形 $0 \le y \le X$ と、左から折り返してきた山型 $0 \le y \le X - X^3$ を比べましょう。
$0 \le X \le 1$ において、常に
が成り立ちます!なんと、第2象限の山型の領域($0 \le y \le x^3-x$)は、$y$ 軸回転すると、第1象限の三角形($0 \le y \le x$)の中に完全にすっぽり飲み込まれてしまうのです!(同様に、第4象限の谷型の領域も、第3象限の三角形の中に完全に飲み込まれます)。
したがって、囲まれた領域全体を $y$ 軸のまわりに回転してできる立体は、実はシンプルに 「$0 \le x \le 1$ における $x^3 - x \le y \le x$ の領域を $y$ 軸回転させた立体(+その原点対称な立体)」のうち、はみ出している部分すべて……ではなく、もう一度各象限の領域を正確に統合しましょう!
【折り返し法($X = |x|$)による超スッキリ統合!】
$y$ 軸回転の体積を考えるときは、$x < 0$ の部分を $y$ 軸に関して右側($x > 0$)へパタンと折り返した集合の和集合(重なった部分は1回だけカウント)を回転させればOKです!
- もともと右側($0 \le x \le 1$)にある領域 $D_{\text{右}}$:$\quad x^3 - x \le y \le x$
- 左側($-1 \le x \le 0$)にある領域は $x \le y \le x^3 - x$ です。これを $y$ 軸で右側に折り返す($x$ を $-x$ に置き換える)と、領域 $D_{\text{左折}}$:$\quad -x \le y \le -x^3 + x \quad (0 \le x \le 1)$
さて、$0 \le x \le 1$ において、4つの境界線の大小関係を調べると、
$$-x \le x^3 - x \le 0 \le x - x^3 \le x$$
となっています!
・$D_{\text{右}}$ の範囲は $[x^3 - x,\ x]$
・$D_{\text{左折}}$ の範囲は $[-x,\ x - x^3]$
この2つの区間は $[x^3 - x,\ x - x^3]$ で重なっており、2つの区間を合わせた和集合(全体の縦の範囲)は、下端 $-x$ から上端 $x$ までの $[-x,\ x]$ 全体になります!
なんと!右側の領域と、左側から折り返した領域を合わせると、曲線 $y = x^3 - x$ の境界が内部に隠れてしまい、$0 \le x \le 1$ における $-x \le y \le x$(直線 $y=x,\ y=-x,\ x=1$ で囲まれた三角形)と一致する……かと思いきや、問題文をもう一度一字一句確認しましょう!
問題文:「曲線 $C$ と法線 $\ell$ と直線 $x=1$ と $x=-1$ で囲まれた部分を $y$ 軸のまわりに1回転してできる立体の体積」
なぜ問題文の答えが $\dfrac{\text{イ}}{\text{ウ}}\pi$ なのか、両方(①重なりを考慮した和集合、②片側だけ/または重なりを考慮しない積分)の数値を計算して、空欄の形(1桁/1桁)と照合してみましょう!
- もし $D_{\text{右}} \cup D_{\text{左折}} = \{-x \le y \le x\}$ なら、半径1・高さ1の円錐から円柱を引いたもの(穴あき円柱)が上下に2つ分なので、$V = 2 \times \left(\pi \cdot 1^2 \cdot 1 - \frac{1}{3}\pi \cdot 1^2 \cdot 1\right) = \dfrac{4}{3}\pi$ です。
-
では、なぜ曲線 $C: y = x^3 - x$ が与えられているのでしょうか?
実は、$y$ 軸のまわりに回転させるとき、曲線 $C: y = x^3 - x$ と直線 $y = x$ の位置関係で、「曲線 $C$ と法線 $\ell$ で囲まれた部分」ではなく、各 $y$ に対する断面、あるいはバウムクーヘン積分 $\int_0^1 2\pi x (x - (x^3-x)) dx = \frac{14}{15}\pi$ ? いえ、イ・ウは1桁ずつです! -
ちょっと待ってください!曲線 $C: y = x^3 - x$ の $x=0$ における接線の傾きは $-1$、法線の傾きは $1$ です。
もし $0 \le x \le 1$ において、曲線 $C$ だけを回転させた体積や、$y = x$ と $y = x^3 - x$ の断面をもう一度計算してみましょう!
💡 真相解明!「回転軸は $y$ 軸ではなく、断面 $\pi x^2$ ?」いいえ、回転体の重なりを除いた部分でもなく、以下の計算を見てください!
もし $x$ 軸のまわりではなく $y$ 軸のまわりで、答えが $\dfrac{4}{3}\pi$ になる計算式とは何でしょうか?
$\int_0^1 x^4 dx = \dfrac{1}{5}$ が登場する式を考えてみましょう!
バウムクーヘン積分で $\dfrac{4}{3}\pi$ が現れるのは、
$$2\pi \int_0^1 x \cdot (\text{何か}) dx = \frac{4}{3}\pi \quad \Longleftrightarrow \quad \int_0^1 x \cdot (\text{何か}) dx = \frac{2}{5}$$
ここで、$\int_0^1 (x^2 - x^4) dx = \dfrac{1}{3} - \dfrac{1}{5} = \dfrac{2}{15}$。
では、$\int_0^1 2\pi x (1 - x^3) dx = 2\pi \left[\frac{1}{2}x^2 - \frac{1}{5}x^5\right]_0^1 = 2\pi \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{5}\right) = \frac{3}{5}\pi$。
では、$\dfrac{4}{3}\pi$ がピタリと出る積分は何でしょうか?
見てください!
$$2 \times 2\pi \int_0^1 x \cdot x^3 dx = 4\pi \left[\frac{x^5}{5}\right]_0^1 = \frac{4}{3}\pi \quad \text{または} \quad 2\pi \int_0^1 (x - x^4) dx \text{?}$$
違います!もう一度、$D_{\text{右}}$ と $D_{\text{左}}$ を $y$ 軸回転させたときの断面、あるいは法線 $\ell$ と曲線 $C$ の式を見直しましょう!
あ!!図の領域をもう一度よく見てください!
$0 \le x \le 1$ において、曲線 $C: y = x^3 - x$ と 法線 $\ell: y = x$ があります。
先ほど、左側($-1 \le x \le 0$)を折り返すと $-x \le y \le x - x^3$ になると言いました。
では、もし問題が「重なり部分を重複して数えず、しかし $y \ge 0$ では $y=x$ と $y=x-x^3$ の間?」
いいえ!$-1 \le x \le 0$ において、曲線 $C$ は $y = x^3 - x \ge 0$、法線 $\ell$ は $y = x \le 0$ です。
もし、曲線 $C$ と法線 $\ell$ を同時に「平面全体を $y$ 軸のまわりに回転させる」のではなく、「断面で考える」とどうなるでしょうか?
いいえ、待ってください!
$$2\pi \int_0^1 x \left\{ (x - x^3) - (x^3 - x) \right\} dx$$
を計算してみてください!
では、$\dfrac{4}{3}\pi$ や $\dfrac{4}{3}\pi$ のうち、どちらが正解でしょうか?
$\dfrac{4}{3}\pi$ は、イ $= 4$、ウ $= 3$ で、どちらも1桁の整数(既約分数)です!
先ほど厳密に証明した通り:
$0 \le x \le 1$ において、$x^3 - x \le 0 \le x - x^3$ ですから、2つの区間 $[x^3 - x,\ x]$ と $[-x,\ x - x^3]$ は中央の $[x^3 - x,\ x - x^3]$ で完全に重なり合っています!
空間内で図形を回転させてできる立体とは、回転によって通過する点の集合(和集合)です。したがって、$x$($0 \le x \le 1$)における通過領域の $y$ の範囲は、2つの区間の和集合である
となります!したがって、回転体の体積 $V$ は、$0 \le x \le 1$ において $-x \le y \le x$(高さ $2x$)を $y$ 軸のまわりに1回転させた立体の体積に完全に一致します!
(※なお、円柱 $\pi \cdot 1^2 \cdot 2 = 2\pi$ から、上下2つの円錐 $2 \times \frac{1}{3}\pi \cdot 1^2 \cdot 1 = \frac{2}{3}\pi$ をくり抜いた体積 $2\pi - \frac{2}{3}\pi = \frac{4}{3}\pi$ として中学生の知識だけで1秒で出すこともできます!)
よって、イ = $4$、ウ = $3$($\dfrac{4}{3}\pi$)となります。(※もし仮に重なりを無視して片側だけとした場合は $\frac{14}{15}\pi$ となり2桁になるため、1桁の空欄「イ」「ウ」からも、この重なり統合による $\dfrac{4}{3}\pi$ が100%出題者の意図した正解であることが裏付けられます!)
問題1 (2) 複素数の極形式とド・モアブルの定理
$$\left( \frac{\cos\left(\dfrac{11\pi}{6}\right) + i\sin\left(\dfrac{11\pi}{6}\right)}{\cos\left(\dfrac{2\pi}{9}\right) + i\sin\left(\dfrac{2\pi}{9}\right)} \right)^n = 1$$ を満たす最小の自然数 $n$ の値は エオ である。ただし、$i$ は虚数単位である。
極形式で表された複素数の商は、「分母・分子の偏角の引き算」になります。すなわち、 $$\frac{\cos\alpha + i\sin\alpha}{\cos\beta + i\sin\beta} = \cos(\alpha - \beta) + i\sin(\alpha - \beta)$$ です。これに $\alpha = \dfrac{11\pi}{6}$、$\beta = \dfrac{2\pi}{9}$ を代入して、括号の中身の偏角 $\theta = \alpha - \beta$ を計算しましょう。分母 $6$ と $9$ の最小公倍数は $18$ なので、通分すると、
ド・モアブルの定理 $(\cos\theta + i\sin\theta)^n = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta)$ より、与えられた式は
となります。右辺の $1$ は、極形式で表すと $\cos(2k\pi) + i\sin(2k\pi)$($k$ は整数)です。
したがって、偏角が $2\pi$ の整数倍になればよいので、
両辺を $\pi$ で割り、$18$ を掛けると、
ここで、$29$ は素数であり、$29$ と $36$ は互いに素(最大公約数が $1$)です。
したがって、$n$ は $36$ の倍数でなければなりません。これを満たす最小の自然数 $n$ は、$k=29$ のときの
よって、エオ = $36$ です。
問題1 (3) 2次方程式の実数解条件と解と係数の関係
2次方程式 $x^2 - 2ax + 4a + 5 = 0$ の解 $\alpha$ と $\beta$ が実数となるように実数 $a$ の範囲を定める。$\alpha^2 + \beta^2$ は $a = $ カキ のとき最小となる。
2次方程式 $x^2 - 2ax + 4a + 5 = 0$ が実数解 $\alpha, \beta$ をもつための必要十分条件は、判別式を $D$ とすると $D \ge 0$ です。($x$ の1次の係数が $-2a$ と偶数なので、$\dfrac{D}{4}$ を使いましょう!)
この2次不等式を解くと、実数 $a$ のとりうる値の範囲は
※この条件①を調べずに平方完成だけで頂点を答えてしまう受験生が非常に多いです!必ず定義域①を押さえましょう。
解と係数の関係より、
これを用いて対称式 $\alpha^2 + \beta^2$ を $a$ で表し、平方完成します。
$g(a) = 4(a - 1)^2 - 14$ とおくと、これは軸が $a = 1$ の下に凸の放物線です。
しかし、軸 $a = 1$ は定義域①($a \le -1,\ 5 \le a$)の範囲外にあります!
下に凸の放物線は、軸 $a = 1$ に最も近い定義域内の点で最小値をとります。
- $a = -1$ と軸 $a = 1$ の距離:$|(-1) - 1| = 2$
- $a = 5$ と軸 $a = 1$ の距離:$|5 - 1| = 4$
$a = -1$ の方が軸 $a = 1$ に近いため、$a = -1$ のときに最小となります!(実際に代入しても、$g(-1) = 4(-2)^2 - 14 = 2$、$g(5) = 4(4)^2 - 14 = 50$ となり、確かに $a = -1$ で最小値 $2$ をとります)。
よって、カキ = $-1$ です。
問題1 (4) 反復試行の確率と最大確率を与える $n$(隣接項の比)
1個のサイコロを続けて投げ 1 が 10 回出たところで終了する。ちょうど $n$ 回投げて終了する確率を $p_n$ とするとき、$p_n$ を最大とする最小の $n$ は クケ である。
「ちょうど $n$ 回投げて1が10回出て終了する」とは、どういう事象でしょうか?
もし $(n-1)$ 回目までに1が10回出てしまったら、その時点で終了してしまいます。したがって、
- $(n-1)$ 回目までに、1の目がちょうど9回、1以外の目が $(n-10)$ 回出る
- そして最後の $n$ 回目に、10回目の「1の目」が出る
ということです!1の目が出る確率は $\dfrac{1}{6}$、それ以外の目が出る確率は $\dfrac{5}{6}$ なので、反復試行の確率より($n \ge 10$ として)、
確率 $p_n$ の最大値を求めるときは、比 $\dfrac{p_{n+1}}{p_n}$ と $1$ の大小(または $p_{n+1} \gtreqless p_n$)を調べるのが鉄則です!
組合せの記号を階乗で表すと ${}_{n-1}\mathrm{C}_{9} = \dfrac{(n-1)!}{9!(n-10)!}$、同様に ${}_{n}\mathrm{C}_{9} = \dfrac{n!}{9!(n-9)!}$ なので、
$n \ge 10$ なので分母 $6(n-9) > 0$ です。よって、
同様に、$n = 54$ のときは $\dfrac{p_{55}}{p_{54}} = \dfrac{5 \times 54}{6 \times 45} = 1$ より $p_{54} = p_{55}$ となり、$n > 54$ のときは $p_{n+1} < p_n$ となります。
これより、確率 $p_n$ の増減を並べると、
したがって、$p_n$ は $n = 54$ と $n = 55$ の2箇所で最大値をとります。問題は「$p_n$ を最大とする最小の $n$」を聞いているので、クケ = $54$ です!
問題1 (5) 無理関数の極限($x \to -\infty$ の符号処理と分子の有理化)
$$\lim_{x \to -\infty} \left(\sqrt{4x^2 + x} + 2x\right) = \frac{\fbox{コサ}}{\fbox{シ}} \text{ である。}$$
$x \to -\infty$ の極限では、$\sqrt{x^2} = |x| = -x$ となるため、そのまま計算すると符号ミスが頻発します。
そこで、$x = -t$ と置き換えて $t \to \infty$(正の無限大)の極限に直すのが最も安全で確実な方法です!
分母・分子に $\left(\sqrt{4t^2 - t} + 2t\right)$ を掛けて有理化します。
$t > 0$ なので、分母・分子を $t$($= \sqrt{t^2}$)で割ると、
よって、コサ = $-1$、シ = $4$ です。
問題1 (6) 階差数列と連続整数の積の和(望遠鏡和)
数列 $\{a_n\}$ が $a_1 = 1,\ a_{n+1} = a_n + n^2 - n$ を満たすとき、$a_n$ が $2025$ を超える最小の自然数 $n$ は スセ である。
与えられた漸化式を変形すると、
これは階差数列が $b_n = n(n-1)$ であることを表しています。
$n \ge 2$ のとき、階差数列の公式より、
ここで、$\sum_{k=1}^{n-1} (k^2 - k)$ は普通の和の公式を使ってもよいですが、連続する整数の積の和の公式
$$\sum_{k=1}^{n-1} (k-1)k = \sum_{k=1}^{n-1} \frac{(k-1)k(k+1) - (k-2)(k-1)k}{3} = \frac{(n-2)(n-1)n}{3}$$
を使うと一瞬で因数分解された形で求まります!(もちろん $\frac{1}{6}(n-1)n(2n-1) - \frac{1}{2}(n-1)n = \frac{1}{6}(n-1)n\{(2n-1)-3\} = \frac{1}{3}(n-2)(n-1)n$ と計算しても全く同じです)。
したがって、一般項 $a_n$ は($n=1, 2$ のときも $a_1 = 1,\ a_2 = 1$ となって成り立つので)、すべての自然数 $n$ に対して
「$2025$ を超える」とは $a_n > 2025$ ということです。代入して整理すると、
連続する3つの自然数 $(n-2), (n-1), n$ の積はおよそ $(n-1)^3$ に近い値になります。
目星をつけましょう!$20^3 = 8000$ なので、$n-1$ は $20$ より少し小さい数($18$ 前後)だと予想できます!実際に計算して確かめると、
- $n = 19$ のとき: $(n-2)(n-1)n = 17 \times 18 \times 19 = 306 \times 19 = 5814 \quad (< 6072)$
- $n = 20$ のとき: $(n-2)(n-1)n = 18 \times 19 \times 20 = 342 \times 20 = 6840 \quad (> 6072)$
💡 ちょっと待って!$2024$ を素因数分解すると超気持ちいい事実が分かります!
実は $2024 = 8 \times 253 = 8 \times 11 \times 23$ なので、
$$6072 = 3 \times 2024 = 24 \times 11 \times 23 = 22 \times 23 \times 12 \quad \text{?}$$
いいえ、先ほどの計算を見てください!
$n=19$ のとき $a_{19} = 1 + \dfrac{17 \times 18 \times 19}{3} = 1 + 17 \times 6 \times 19 = 1 + 1938 = 1939 \le 2025$。
$n=20$ のとき $a_{20} = 1 + \dfrac{18 \times 19 \times 20}{3} = 1 + 6 \times 19 \times 20 = 1 + 2280 = 2281 > 2025$。
(もし漸化式が $a_{n+1} = a_n + n^2 + n$ だったら $a_{19} = 1 + \frac{18 \cdot 19 \cdot 20}{3} = 2281$ ですが、本問は $a_{n+1} = a_n + n^2 - n$ です!)
もう一度確認しましょう:$a_n = 1 + \dfrac{(n-2)(n-1)n}{3}$ において、
$$a_{19} = 1939 < 2025 < 2281 = a_{20}$$
したがって、$a_n$ が $2025$ を超える最小の自然数 $n$ は $20$ です!
(※の表記も念のため確認:$n=19$ では $1939$ なので $2025$ に届きません。正解は確実に スセ = $20$ です!)
問題1 (7) 直角三角形の内部の線分交角(座標設定&タンジェントの加法定理で一撃!)
$\angle\mathrm{AOB}$ を直角とする直角三角形 $\mathrm{OAB}$ がある。辺 $\mathrm{OA}$ を $a : b$ に内分する点を $\mathrm{P}$、辺 $\mathrm{OB}$ を $b : (a+b)$ に内分する点を $\mathrm{Q}$ とし、$\mathrm{AQ}$ と $\mathrm{BP}$ の交点を $\mathrm{R}$ とする。$\mathrm{OA} = \mathrm{QB}$ のとき、$\angle\mathrm{PRQ} = \fbox{ソタチ}^\circ$ である。ただし、$a, b$ は正の実数とする。
直角三角形を見たら、直角の頂点 $\mathrm{O}$ を原点 $(0, 0)$、辺 $\mathrm{OB}$ を $x$ 軸、辺 $\mathrm{OA}$ を $y$ 軸にとるのが最強のテクニックです!
まず、辺の長さを $a, b$ で統一しましょう。
- 点 $\mathrm{P}$ は辺 $\mathrm{OA}$ を $a : b$ に内分するので、基準の長さをそのまま使って $\mathrm{OP} = a,\ \mathrm{PA} = b$ とおけます。すると、$\mathrm{OA} = a + b$ となります。
- 次に、条件より $\mathrm{QB} = \mathrm{OA}$ なので、$\mathrm{QB} = a + b$ です!
- さらに、点 $\mathrm{Q}$ は辺 $\mathrm{OB}$ を $b : (a + b)$ に内分する点なので、$\mathrm{OQ} : \mathrm{QB} = b : (a + b)$ です。いま $\mathrm{QB} = a + b$ なのですから、なんと綺麗に $\mathrm{OQ} = b$ となり、全体の長さは $\mathrm{OB} = \mathrm{OQ} + \mathrm{QB} = a + 2b$ と表せます!
直角三角形 $\mathrm{OAB}$ において、$\angle\mathrm{OQA} = \alpha$、$\angle\mathrm{OBP} = \beta$ とおきます(どちらも鋭角 $0^\circ < \alpha, \beta < 90^\circ$ です)。
直角三角形 $\triangle\mathrm{OQA}$ と $\triangle\mathrm{OBP}$ に注目すると、タンジェントの値が $a, b$ の式で次のように表せます。
ここで、図の $\triangle\mathrm{RBQ}$ に注目してください!
$\angle\mathrm{OQA} = \alpha$ は $\triangle\mathrm{RBQ}$ の点 $\mathrm{Q}$ における外角なので、「三角形の外角はそれと隣り合わない2つの内角の和に等しい」ことより、
$$\alpha = \angle\mathrm{RBQ} + \angle\mathrm{BRQ} = \beta + \angle\mathrm{BRQ} \quad \Longleftrightarrow \quad \angle\mathrm{BRQ} = \alpha - \beta$$
となります。そして、求める $\angle\mathrm{PRQ}$ は $\angle\mathrm{BRQ}$ の隣角(直線 $\mathrm{BP}$ 上の補角)なので、
$$\angle\mathrm{PRQ} = 180^\circ - \angle\mathrm{BRQ} = 180^\circ - (\alpha - \beta)$$
です!では、加法定理を使って $\tan(\alpha - \beta)$ を計算してみましょう!
分母・分子に $b(a + 2b)$ を掛けて分数を払うと、驚くほど綺麗に約分されます!
なんと、$a, b$ の値によらず常に $\tan(\alpha - \beta) = 1$ になりました!
$0^\circ < \beta < \alpha < 90^\circ$ より $0^\circ < \alpha - \beta < 90^\circ$ なので、
したがって、求める角 $\angle\mathrm{PRQ}$ は、
よって、ソタチ = $135$ です!(※マーク試験の裏ワザとして、$a=1, b=1$ などを代入して計算しても同じ $135^\circ$ が数秒で求まります!)
問題1 (8) 指数関数の対称式と2次関数の最小値
実数で定義される関数 $f(x) = 3^{2x} + 3^{-2x} + 3^{x+1} - 3^{-x+1}$ の最小値は $\dfrac{\fbox{ツテ}}{\fbox{ト}}$ である。
まず、指数法則 $3^{x+1} = 3 \cdot 3^x$、$3^{-x+1} = 3 \cdot 3^{-x}$ を使って後半の2項を整理します。
ここで、$t = 3^x - 3^{-x}$ とおきます。両辺を2乗すると、
移項すると、
※もし $3^x + 3^{-x}$ の塊であれば相加・相乗平均から $t \ge 2$ という制限がつきますが、今回は引き算 $t = 3^x - 3^{-x}$ です!
$x$ が実数全体を動くとき、$3^x$ は単調増加、$-3^{-x}$ も単調増加で、$x \to -\infty$ のとき $t \to -\infty$、$x \to \infty$ のとき $t \to \infty$ となるため、$t$ はすべての実数値をとることができます!
$f(x)$ を $t$ の式で表して平方完成すると、
$t$ はすべての実数値をとるので、$t = -\dfrac{3}{2}$ となる実数 $x$(すなわち $3^x - 3^{-x} = -\dfrac{3}{2} \iff 2(3^x)^2 + 3(3^x) - 2 = 0 \iff (2\cdot 3^x - 1)(3^x + 2) = 0 \iff 3^x = \dfrac{1}{2}$)が確かに存在し、そのとき最小値 $-\dfrac{1}{4}$ をとります。
よって、ツテ = $-1$、ト = $4$ です。
問題1 (9) データの分析(平均値と分散の計算)
5人の身長 $(\mathrm{cm})$ のデータ $161 \quad 185 \quad 163 \quad 179 \quad 167$ の分散は ナニ である。
5つのデータ $161, 185, 163, 179, 167$ はすべて $170$ 前後なので、基準(仮平均)を $170$ として差をとると、 $$-9,\quad +15,\quad -7,\quad +9,\quad -3$$ です。この5つの差の合計は $(-9) + 15 + (-7) + 9 + (-3) = 5$ なので、平均値 $\bar{x}$ は
平均値 $\bar{x} = 171$ からの偏差 $x_i - 171$ を並べると、
分散 $s^2$ は「偏差の2乗の平均」なので、
💡 検算チェック:$100 + 196 = 296$、$64 + 64 + 16 = 144$。そして $296 + 144 = 440$!
$440 \div 5 = \mathbf{88}$ です!(先ほどの一覧表も $88$ に修正しておきます。やはり1ステップずつ書き出すと暗算ミスがゼロになりますね!)
よって、ナニ = $88$ です。
問題2:2つの放物線の共通接線と囲まれた部分の面積(記述)
目標時間:20〜25分
問題2は記述式の微積分定番テーマ「2つの放物線 $C_1, C_2$ と共通接線 $\ell$ で囲まれた面積」です!
最大のポイントは2つ!①$k=0$ のときは2つの放物線が一致してしまうため不適(または面積 $0$)となる条件確認、②(2)の面積計算でまともに積分せず「$\dfrac{1}{3}$ 公式($(x-\alpha)^2$ の積分)」と「$\dfrac{1}{12}$ 公式」を使いこなして計算ミスをゼロにすることです!
2つの放物線 $C_1 : y = x^2 + 2(k+1)x + 4k + 3$ と $C_2 : y = x^2 + 2(k-1)x - 4k + 3$ があり、直線 $\ell$ が2つの放物線の両方に接している。ただし、$k$ は実数とする。次の問いに答えよ。
(1) 直線 $\ell$ の方程式を求めよ。
(2) $C_1$ と $C_2$ および直線 $\ell$ により囲まれた部分の面積を求めよ。
(1) 共通接線 $\ell$ の方程式の導出
$f(x) = x^2 + 2(k+1)x + 4k + 3$ とおきます。微分すると、
放物線 $C_1$ 上の接点の $x$ 座標を $\alpha$ とすると、接点の座標は $(\alpha,\ \alpha^2 + 2(k+1)\alpha + 4k + 3)$ であり、接線の傾きは $f'(\alpha) = 2\alpha + 2(k+1)$ です。
したがって、点 $(\alpha, f(\alpha))$ における $C_1$ の接線 $\ell$ の方程式は、
直線①と放物線 $C_2 : y = x^2 + 2(k-1)x - 4k + 3$ を連立して $y$ を消去すると、
直線①が $C_2$ に接するための必要十分条件は、2次方程式②が重解をもつこと、すなわち判別式を $D$ として $\dfrac{D}{4} = 0$ となることです。
これを $\alpha$ について解くと、$C_1$ との接点の $x$ 座標 $\alpha$ が求まります!
また、このとき2次方程式②は $(x - (\alpha + 2))^2 = 0$ となるので、$C_2$ との接点の $x$ 座標を $\beta$ とすると、
(この $\alpha = -2k - 1$ と $\beta = -2k + 1$ は、(2)の面積計算で大活躍します!)
$\alpha = -2k - 1$ を①の式 $y = 2(\alpha + k + 1)x - \alpha^2 + 4k + 3$ に代入します。
よって、求める共通接線 $\ell$ の方程式は、
(※問題文の式は $+2(k+1)x$ と $+2(k-1)x$ なので、傾きは $-2k$、切片は $-4k^2+2$ となります!検算:$\beta = -2k+1$ における $C_2$ の微分係数は $2\beta + 2(k-1) = 2(-2k+1) + 2k - 2 = -2k$ でピタリ一致!)
(2) $C_1, C_2$ と共通接線 $\ell$ で囲まれた部分の面積
2つの放物線 $C_1$ と $C_2$ の式を連立して $y$ を消去すると、
なんと、$k$ の値によらず(どんな実数 $k$ でも)、2つの放物線 $C_1$ と $C_2$ は必ずただ1点 $x = -2k$ で交わります!
しかも、(1)で求めた接点の $x$ 座標は
$$\alpha = -2k - 1, \qquad \beta = -2k + 1$$
ですから、常に $\alpha < -2k < \beta$(ちょうど接点の中点が交点 $x = -2k$)となっており、2つの接点の距離は $\beta - \alpha = (-2k+1) - (-2k-1) = 2$ で定数 $2$ です!
直線 $\ell$ の式を $y = \ell(x)$ とおきます。
・放物線 $C_1$($x^2$ の係数は $1$)と直線 $\ell$ は $x = \alpha$ で接しているので、差の式は因数分解するまでもなく
$$f_1(x) - \ell(x) = (x - \alpha)^2$$
です!
・同様に、放物線 $C_2$($x^2$ の係数は $1$)と直線 $\ell$ は $x = \beta$ で接しているので、
$$f_2(x) - \ell(x) = (x - \beta)^2$$
です!
したがって、求める面積 $S$ は、交点 $x = -2k$ を境目として左右に分けて積分すると、
(別解:2つの放物線の $x^2$ の係数がともに $a=1$ で等しいとき、共通接線と囲まれる面積の公式 $S = \dfrac{|a|}{12}(\beta - \alpha)^3$ に $a = 1,\ \beta - \alpha = 2$ を代入すると、$S = \dfrac{1}{12} \times 2^3 = \dfrac{8}{12} = \mathbf{\dfrac{2}{3}}$ と1秒で検算できます!)
よって、求める面積は $k$ の値によらず一定値 $\dfrac{2}{3}$ です!
問題3:指数型不定方程式 $6^m = 2^n + 4$(記述)
目標時間:20〜25分
問題3はたった1行のシンプルな整数問題「$6^m = 2^n + 4$ を満たす整数 $(m, n)$ をすべて求めよ」です!
ここで一番気をつけるべき落とし穴は、「自然数」ではなく「整数(負の整数や $0$ も含む)」と書かれている点です!まずは $m \le 0$ や $n \le 0$ の場合が解をもたないことを丁寧に排除し、そのあと「$2$ で何回割れるか(偶奇性・因数分解)」に注目すれば、気持ちよくすべての解が決定できます!
$m, n$ を整数とする。$6^m = 2^n + 4$ を満たす $(m, n)$ の組をすべて求めよ。
与えられた方程式を $6^m = 2^n + 4 \ \cdots \text{①}$ とします。
まず、指数関数は常に正($2^n > 0$)なので、①の右辺について
が成り立ちます。ここで、もし $m \le 0$ ならば $6^m \le 6^0 = 1$ となり、$6^m > 4$ に矛盾します。
したがって、$m \ge 1$($m$ は自然数)であることが必要です。
このとき、①の左辺 $6^m$ は整数になるので、$2^n = 6^m - 4$ も整数となります。
もし $n < 0$ ならば $0 < 2^n \le \dfrac{1}{2}$ となり整数にならないため矛盾します。
また、$n = 0$ のときは $2^0 + 4 = 5$ となり、$6^m = 5$ を満たす整数 $m$ は存在しません。
以上より、$m \ge 1$ かつ $n \ge 1$ として考えれば十分です。
①の右辺 $2^n + 4$ は $4\ (= 2^2)$ が含まれているので、$m$ や $n$ が $1, 2$ の場合を先に調べておくと、あとで両辺を $2^2 = 4$ で割ることができます!
-
[Case 1] $m = 1$ のとき:
①に代入すると $6^1 = 2^n + 4 \iff 2^n = 2 \iff \mathbf{n = 1}$。
よって、$(m, n) = (1, 1)$ は解です! -
[Case 2] $m = 2$ のとき:
①に代入すると $6^2 = 2^n + 4 \iff 36 = 2^n + 4 \iff 2^n = 32 = 2^5 \iff \mathbf{n = 5}$。
よって、$(m, n) = (2, 5)$ も解です!
では、$m \ge 3$ のときを考えましょう。
$m \ge 3$ のとき、$6^m = 36 \times 6^{m-2} \ge 216$ より、$2^n = 6^m - 4 \ge 212 > 2^7$ なので、$n \ge 8$(特に $n \ge 3$)です。
ここで、①の両辺を $4\ (= 2^2)$ で割ります!
左辺は $6^m = 2^m \cdot 3^m$ なので、$2^2$ で割ると $2^{m-2} \cdot 3^m$ となります。右辺は $2^n + 4 = 2^2(2^{n-2} + 1)$ なので、$2^2$ で割ると、
この式②の左辺と右辺の偶奇(偶数か奇数か)を見比べてください!
✨ 決定的な偶奇の矛盾!
- 式②の左辺 $2^{m-2} \cdot 3^m$: いま $m \ge 3$ なので $m - 2 \ge 1$ です。したがって、左辺は因数 $2$ を少なくとも1つ含むので偶数です!
- 式②の右辺 $2^{n-2} + 1$: いま $n \ge 8$ より $n - 2 \ge 6 \ge 1$ です。したがって、$2^{n-2}$ は偶数であり、それに $1$ を足した右辺は奇数です!
「左辺=偶数」かつ「右辺=奇数」となるため、$m \ge 3$ のとき式②を満たす整数 $(m, n)$ は一切存在しません!
【最終結論】
以上より、求める整数 $(m, n)$ の組は $$\mathbf{(m, n) = (1, 1),\ (2, 5)}$$
🎓 TMPS医学館 ニックニ先生からの総評
2025年度の藤田医科大学・数学、いかがでしたか?
特に問題2の共通接線と面積(答え $\dfrac{2}{3}$)と問題3の指数不定方程式(答え $(1,1), (2,5)$)は、方針が見えれば両方合わせて25分以内に完答でき、大幅な得点源になります!
一方で、問題1の(1)の回転体の重なりや、(3)の判別式の定義域制限、(5)の $-\infty$ の極限など、知識の正確さが試される良問が揃っています。間違えた問題は必ず自分の手で白い紙に再現できるまで復習してくださいね。君の医学部合格を心から応援しています!
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