内分を3段重ねてできる点が描く曲線と、囲む面積・曲線の長さ

分野: 積分・媒介変数と極座標

座標平面上の点 A(0,0)\mathrm{A}(0, 0), B(0,1)\mathrm{B}(0, 1), C(1,1)\mathrm{C}(1, 1), D(1,0)\mathrm{D}(1, 0) を考える。実数 0<t<10 < t < 1 に対して,線分 AB,BC,CD\mathrm{AB}, \mathrm{BC}, \mathrm{CD} を t:(1−t)t : (1 - t) に内分する点をそれぞれ Pt,Qt,Rt\mathrm{P}_t, \mathrm{Q}_t, \mathrm{R}_t とし,線分 PtQt,QtRt\mathrm{P}_t\mathrm{Q}_t, \mathrm{Q}_t\mathrm{R}_t を t:(1−t)t : (1 - t) に内分する点をそれぞれ St,Tt\mathrm{S}_t, \mathrm{T}_t とする。さらに,線分 StTt\mathrm{S}_t\mathrm{T}_t を t:(1−t)t : (1 - t) に内分する点を Ut\mathrm{U}_t とする。また,点 A\mathrm{A} を U0\mathrm{U}_0,点 D\mathrm{D} を U1\mathrm{U}_1 とする。

(1) 点 Ut\mathrm{U}_t の座標を求めよ。

(2) tt が 0≦t≦10 \leqq t \leqq 1 の範囲を動くときに点 Ut\mathrm{U}_t が描く曲線と,線分 AD\mathrm{AD} で囲まれた部分の面積を求めよ。

(3) aa を 0<a<10 < a < 1 を満たす実数とする。tt が 0≦t≦a0 \leqq t \leqq a の範囲を動くときに点 Ut\mathrm{U}_t が描く曲線の長さを,aa の多項式の形で求めよ。

出典

出典(引用): 令和7(2025)年度第2次学力試験 前期日程試験 数学(理科) 第1問(東京大学の第2次試験問題からの引用)(表記を Web 用に改変)

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