数学IIの問題?
xy平面上に放物線C:y=x^2と直線L:y=mx(m>0)があり、CとLの交点で原点以外のものをPとする。また、Lを原点の周りに正の向きに角π/4だけ回転して得られる直線をL'とし、L'が原点以外でCと交わる時、その交点をQとする。直線PQとCで囲まれる部分の面積Sを求め、mが全ての正の範囲を動くときのSの範囲を求めよ。
という問題で、
m=1の時L':x=0(y軸)となるので交点Qを持たず不適。よってm≠1。
L,L'がx軸の正の向きとなす角をα、βとするとβ-α=π/4となる。
したがってtan(β-α)=(tanβ-tanα)/(1+tanβtanα)=1より、
tanα=mを代入してtanβを求めると
tanβ=(m+1)/(1-m)となる。これを仮にm'とおく。
L,L'とCの交点Pのx座標はそれぞれm、m'となり、この大小関係は
0<m<1の時m<m' m>1の時m>m'である。
よってSは
0<m<1の時S=(m'-m)^3/6
m>1の時S=(m-m')^3/6
となる。
ここで
m'-m=(m+1)/(1-m)-m
=-1+2/(1-m)-m
=-2+2/(1-m)+(1-m)
≧-2+2√2 (∵相加平均≧相乗平均)
等号成立は2/(1-m)=1-mより
m=1+√2 0<m<1なのでm'-m=?
同様に
m-m'=…≧2+2√2 (等号成立はm=1+√2の時)
以上より
0<m<1の時S≧?
m>1の時S≧4(1+√2)^3/3
よってS≧?
途中計算はいくつか省略しています。
わからないのは?をつけている箇所です。
数IIIを使って解くと0<m<1の範囲で単調増加、1<m<2+√2で単調減少、2+2√2<mで単調増加となり、m→1-0,1+0の時m'-m→∞となることから増減表を描いて調べればS>1/6となりそうなんですがこれもまた変な気もするのでどこかで計算間違ってそうです。
数IIで答えを出すとすればどのようにすればいいのか、教えていただきたいです。
あと、どこかで考え間違いをしているかも知れないのでその指摘もお願いします。
以上、よろしくお願いします。
お礼
分かりにくい質問で申し訳ありません。 とても分かりやすい回答ありがとうございます! しっかり理解できました。