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。点が上を動き,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 が 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。