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東京大学 2018年度
理系数学 第3問

問題

放物線のうちをみたす部分をとする。座標平面上の原点と点を考える。を実数とする。点上を動き,点が線分上を動くとき,

をみたす点が動く領域の面積をとする。
およびを求めよ。

出典:東京大学 2018年度 前期日程 第2次学力試験 理系 第3問

方針

とおくと, で表せる。高さ を固定し, とおくと から2つの横区間が出る。区間の重なり条件は であり, の全体で重なるかどうかが を境に変わる。横幅を高さで積分して を出し,最後に の極限を読む。

解答

とおく。ただし である。条件 より である。 とする。 より である。高さ を固定し, とおくと で, である。このとき を動くので, の範囲は

となる。

2つの区間が重なる条件は,右側の区間の左端が左側の区間の右端以下であること,すなわち である。これは と同値である。

まず とする。このとき なので,すべての で2区間は重なる。固定した における横幅は

である。したがって

である。

次に とする。重なる範囲は であり, だから である。この範囲では横幅が ,それより上では2区間が分かれて横幅が となる。よって

である。第一項は であり,第二項は である。したがって となる。

以上より

である。 ではどちらの式も となり,つながっている。ゆえに である。

別解。2つの符号 からできる領域を別々に見ると,各高さで横幅が ,高さが なので,それぞれの面積は1である。したがって和集合の面積は から重なりの面積を引けばよい。 では重なりは で,その横幅は だから,重なりの面積は である。よって を得る。 でも同様に全高さで重なりを引くと

となる。