問題3(2) 逆像法による別解(p15)【ぐんぐん解ける理系数学ⅠAⅡB+ベクトル 補足解説】

問題3(2) 逆像法による別解(p15)

実数 \(a, b\) が \(-2\sqrt{2}\leqq a\leqq 2\sqrt{2}\),\(b\geqq a^3-a\) を満たすときの \(a-2b\) の最大値を求めよ.

\(ab\) 平面上において \(-2\sqrt{2}\leqq a\leqq 2\sqrt{2}\ \land\ b\geqq a^3-a\) の表す領域 \(D\) に対し,直線 \(l:a-2b=k\) と \(D\) が共有点をもつ実数 \(k\) の最大値を求めればよい.

領域Dと2本の直線を示す原図のグラフ本体(ラベル欠落のため差し替え要)

\(D\) は境界線を含む上図の斜線部のようになり,\(l\) の傾きは \(\frac{1}{2}\),\(b\) 切片は \(-\frac{1}{2}k\) であるから \(k\) が最大となるのは,

  • \(l\) が点 \(\left(-2\sqrt{2},-14\sqrt{2}\right)\) を通るとき
  • \(l\) が曲線 \(C:b=a^3-a\ (a>0)\) に接するとき

のどちらかの場合である.

\(l\) が点 \(\left(-2\sqrt{2},-14\sqrt{2}\right)\) を通るのは,

\[k=-2\sqrt{2}-2\cdot\left(-14\sqrt{2}\right)=26\sqrt{2}\]

のときである.

\(b=a^3-a\ (a>0)\) について,\(b’=3a^2-1=\frac{1}{2}\) となるのは \(a=\frac{1}{\sqrt{2}}\ (<2\sqrt{2})\) のときであり,このとき \(b=\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^3-\frac{1}{\sqrt{2}}=-\frac{1}{2\sqrt{2}}\) であるから,\(l\) が \(C\) に接するのは,

\[k=\frac{1}{\sqrt{2}}-2\cdot\left(-\frac{1}{2\sqrt{2}}\right)=\sqrt{2}\]

のときである.

以上より,\(a-2b\) の最大値は,\( \displaystyle 26\sqrt{2}\quad\text{(答)} \)

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