3次関数のグラフの3本の接線がなす角と、接線が囲む三角形の面積(加法定理の誘導つき)

分野: 三角関数・微分・積分

kk を実数とし,座標平面上の曲線 CC を y=x3−kxy = x^3 - kx で定める。CC 上の 22 点 P,Q\mathrm{P}, \mathrm{Q} に対する以下の条件 (∗)(*) を考える。

条件 (∗)(*):原点 O\mathrm{O},点 P\mathrm{P},点 Q\mathrm{Q} は相異なり,CC の O,P,Q\mathrm{O}, \mathrm{P}, \mathrm{Q} における接線のうち,どの 22 本も交わり,そのなす角はすべて π3\dfrac{\pi}{3} となる。

ただし,22 直線のなす角は 00 以上 π2\dfrac{\pi}{2} 以下の範囲で考えるものとする。

(1) −π2<θ<π6-\dfrac{\pi}{2} < \theta < \dfrac{\pi}{6} とする。tan⁡(θ+π3)\tan\left(\theta + \dfrac{\pi}{3}\right) を tan⁡θ\tan\theta を用いて表せ。

(2) 条件 (∗)(*) を満たす P,Q\mathrm{P}, \mathrm{Q} が存在するような kk の範囲を求めよ。

(3) kk が (2) で定まる範囲にあるとする。P,Q\mathrm{P}, \mathrm{Q} が条件 (∗)(*) を満たすように動くとき,CC の O,P,Q\mathrm{O}, \mathrm{P}, \mathrm{Q} における接線によって囲まれる三角形の面積 SS の最大値を MM,最小値を mm とおく。ただし,33 本の接線が 11 点で交わるときは S=0S = 0 とする。M=4mM = 4m となる kk の値を求めよ。

出典

出典(引用): 令和8(2026)年度第2次学力試験 前期日程試験 数学(文科) 第4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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