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x^yはxのy乗
e^xはexp(x)もオッケー
anはaに添え字n
極限はlim(x→a)
n回微分はd^nf/dx^nまたは略してf^(n) 定積分は∫(a,b)
Σ計算はΣ(k=1〜n)
またはΣ(条件)
条件は例えば1≦i<j≦nと書くと、1≦i<j≦nを満たす整数i、jですべて足し上げる。
ルートや分数は√(a+b)、(a+b)/(c+d)
複素共役z~
ベクトルa→単にaとする時もあり
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微分積分のグラフの問題、関西大学システム理工学部・環境都市工学部・化学生命工学部2009年度(2月1日)の第一問の解説
鼻水が出るとのが寂しいことのように感じるこの頃ですね。


今回は微積分のよくある標準的なグラフの問題です。

関西大学システム理工学部・環境都市工学部・化学生命工学部の2009年度2月1日実施

[問題]
kandairikou200921_1.jpg

f(x)=1/(1+e^(2x-1))(-∞<x<∞)
とおく。次の[ ]をうめ、設問(2),(3)に答えよ。

(1)f(x)の導関数f'(x)は
f'(x)=[1]
であり、f(x)の2次導関数f''(x)は
f''(x)[3]/(1+e^(2x-1))^2
である。
曲線y=f(x)には、変曲点が1つある。変曲点の座標は[3]である。
曲線y=f(x)には、漸近線が2本ある。そのうちの1つは,y=0である。
もう一方の漸近線の方程式は[4]である。

(2)曲線y=f(x)の増減表を記述蘭にかき、変曲点と漸近線が分かるように、y=f(x)のグラフの概形を解答用紙の[5]にかけ。

(3)[4]で求めた漸近線,y軸,直線x=1と曲線y=f(x)によって囲まれてできる領域の面積を求めよ(解答は記述蘭にかけ)。

[解答と解説]
(1)
kandairikou200921_11.jpg

まずf(x)の微分です。
1+e^(2x-1)で微分してから、1+e^(2x-1)をxで微分です。

f''(x)を求めるのはこういう

f'(x)=-2e^(2x-1)/(1+e^(2x-1))^2
のような分数関数の微分は結構大変なとこでよく計算間違いしますが、こういう答えしか受け付けませんって言わんばかりの問題は逆に恐いとこです。

分数関数f(x)/g(x)の微分
(f'(x)g(x)-f(x)g'(x))/(g(x))^2
にあてはめて計算したってください。

変曲点はあるとすればf''(x)が0になるとこでf''(x)=0になるのはe^(2x-1)のとこが0の時だけ、つまり2x-1=0⇔x=1/2の時だけだからこれが
f(1/2)=1/2で(1/2,1/2)が答えです。

穴埋めやからこれでええねんけど、記述式ならこれは不十分でした。

変曲点はf''(x)の符号が切り替わる点であって,0だからと言って変曲点とは限りません。
例えば
f''(x)=(x-2)^2
やったら、f''(2)=0やけどf''(x)=(x-2)^2≧0やからずっと上に凸な関数で凹凸がx=2で切り替わってません。

まあだから本当は増減表を書いてもて、変曲点はx=1/2のとこって言うのが一番明確やねんけど簡易的に書くとしたら

f''(x)=0⇔x=1/2
f''(x)>0⇔x>1/2
f''(x)<0⇔x<1/2
でx=1/2のとこでf''(x)の符号が切り替わってることを書いておけばええかな。

漸近線はy=0の方はx→∞の方の極限やから、もう一つはx→-∞の方を考えたらよくて
e^(2x-1)→0やから
lim(x→-∞)f(x)=1/(1+0)=1
でy=1がもう一つの漸近線です。

(2)
kandairikou200921_12.jpg

増減表を書いてグラフを描いたってください

漸近線と変曲点も書き入れといてな。

(3)
kandairikou200921_13.jpg

求める面積は0≦x≦1のとこでy=1とy=f(x)にはさまれた部分で

S=1-∫(0→1)1/(1+e^(2x-1))dx
を求めたらオッケーです。

まあこう来たら、だいたいe^xの関数やったらt=e^(2x-1)とか置換したらだいたい上手く行くかな。

t=e^(2x-1)
から
dt=2e^(2x-1)dx

dt/(2e^(2x-1))=dx
やけど左辺はtの関数にしたいとこやからe^(2x-1)をもっかいtに書き換えるのがコツで

dt/(2t)=dx

それで
x|0|…|1|
t|1/e|…|e|
後は計算して

S=1-∫(1/e→e)1/(2t(1+t))dt

この積分は
1/(t(t+1))=1/t-1/(t+1)
と言うように部分分数にしたらよかったですね。

まあこんなことオレが言うまでもなかったか。
すいません。

答えは1/2になります。

結構きれい過ぎて不安になる値やな。

高校数学の入試問題などの解説




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確率の問題、東北大学2009年度文理共通第3問の解説
はさみが欲しいときはオレに言ってくれ。

東北大学2009年度の文理共通の第三問の解説

[問題]
袋の中に青玉が7個、赤玉が3個入っている。袋から1回につき1個ずつ玉を取り出す。一度取り出した玉は袋に戻さないとして、以下の問いに答えよ。
(1)4回目に初めて赤玉が取り出される確率を求めよ。
(2)8回目が終わった時点で赤球がすべて取り出される確率を求めよ。
(3)赤球がちょうど8回目ですべて取り出される確率を求めよ。
(4)4回目が終わった時点で取り出されている赤球の個数の期待値を求めよ。

文系は(3)まで、理系は(4)まで。

[解答と解説]
こういう玉を取り出していって袋に戻さない試行は、玉を左から順番に並べていく試行をに読みかえると非常に簡単になることが多いです。

ただ気をつけて欲しいのは確率やから、青玉とか赤玉とか色が同じものでも全て区別して数えてください。
参照→確率と場合の数の違い、同様に確からしいとは…


(1)
touhoku2009bunri3_1.jpg

4回目に初めて赤玉が取り出される確率は、1〜3番目まで青で4番目に赤がくるときです。
だから確率は
1〜3番目の青玉の並べ方7P3
4番目の赤玉の選び方3C1
残り6個を並べて6!
だから
7P3・3C1・6!/10!=1/8

言葉でごちゃごちゃ考えて説明するより絵を書いて考えて簡潔に説明したってください。

(2)
8回目が終わった時点で赤玉がすべて取り出されるのは、9番目と10番目が青玉になるときです。
だから条件の厳しいほうから並べていけば良かったから
9番目10番目に青玉を並べる方法は7P2通り
残り8個を並べて8!通りで
求める確率は
7P2・8!/10!=7/15


(3)
touhoku2009bunri3_2.jpg

赤球がちょうど8回目ですべて取り出されるのは8回目が赤で9回目,10回目が青の時だから
8番目の赤を選ぶ方法は3C1
9番目,10番目に青を並べる方法は7P2
残り7個並べて7!通り

よって求める確率は

3P1・7P2・7!/10!=7/40


(4)
touhoku2009bunri3_3.jpg

4回目が終わった時点で赤玉の個数をX個とおいて、X=k(k=0,1,2,3)となる確率をP(X=k),Xの期待値をE(X)と置いておいて、まあここまで別に丁寧に定義しなくてもええねんけど何回も

4回目が終わった時点で赤玉の個数が〜

って書くとしんどいからな。

(i)X=3の時
1〜4回目に赤が3個、青が1個だから

赤の選び方3C3
青の選び方7C1
その四つの並べて方は4!
残り6個並べて6!
P(X=3)=3C3・7C1・4!・6!/10!=1/30

(ii)X=2の時
1〜4回目に赤が2個、青が2個だから

赤の選び方3C2
青の選び方7C2
その四つの並べて方は4!
残り6個並べて6!
P(X=3)=3C2・7C2・4!・6!/10!=3/10

(iii)X=1の時
1〜4回目に赤が1個、青が3個だから

赤の選び方3C1
青の選び方7C3
その四つの並べて方は4!
残り6個並べて6!
P(X=3)=3C1・7C3・4!・6!/10!=1/2

よって

E(X)=3・1/30+2・3/10+1・1/2=6/5


でもこれは

touhoku2009bunri3_4.jpg

玉10個中、3個が赤玉ってことは玉が1個当たりに赤玉の割合は3/10なわけやから4個取り出すと赤玉が取り出された期待値は

3/10×4=6/5

って勘でわかるねんけどな。


計算は簡単やけど、説明は難しいって感じやな。

東北大学の入試の数学の過去問の解説




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