東大文系2010:第2問


\(2\) 次関数 \(f(x) = x^2+ax+b\) に対して \[ f(x+1) = c \displaystyle\int _ 0^1 ( 3x^2 +4xt ) f'(t) \, dt \] が \(x\) についての恒等式になるような定数 \(a , b , c\) の組をすべて求めよ.


【 解 答 】

\[\begin{align} ( \text{左辺} ) & = (x+1)^2 +a(x+1) +b \\ & = x^2 +(a+2)x +a+b+1 \end{align}\] また, \(f'(x) = 2x+a\) なので \[\begin{align} ( \text{右辺} ) & = c \displaystyle\int _ 0^1 ( 3x^2 +4xt )( 2t+a ) \, dt \\ & = c \displaystyle\int _ 0^1 \left\{ 8xt^2 +2\left( 3x^2+2ax \right) t +3ax^2 \right\} \, dt \\ & = c \left[ \dfrac{8x}{3} t^3 +\left( 3x^2+2ax \right) t^2 +3ax^2 t \right] _ 0^1 \\ & = c \left( \dfrac{8x}{3} +3x^2 +2ax +3ax^2 \right) \\ & = 3(a+1)c x^2 +\left( 2a +\dfrac{8}{3} \right) cx \end{align}\] よって, 係数を比較して \[ \left\{ \begin{array}{ll} 3(a+1)c = 1 & ... [1] \\ \left( 2a +\dfrac{8}{3} \right) c = a+2 & ... [2] \\ a+b+1=0 & ... [3] \end{array} \right. \] [3] より, \(b=-a-1\) .
[1] より, \(a \neq -1\) なので \[ c =\dfrac{1}{3(a+1)} \] これを [2] に代入して \[\begin{align} 2a +\dfrac{8}{3} & = 3 (a+1)(a+2) \\ 6a+8 & = 9a^2+27a+18 \\ 9a^2+21a+10 & = 0 \\ (3a+2)(3a+5) & = 0 \\ \text{∴} \quad a & = -\dfrac{2}{3} , -\dfrac{5}{3} \end{align}\]

  • \(a = -\dfrac{2}{3}\) のとき \[\begin{align} b & = \dfrac{2}{3} -1 = -\dfrac{1}{3} , \\ c & = \dfrac{1}{3 \cdot \dfrac{1}{3}} = 1 \end{align}\]

  • \(a = -\dfrac{5}{3}\) のとき \[\begin{align} b & = \dfrac{5}{3} -1 = \dfrac{2}{3} \\ c & = \dfrac{1}{3 \cdot \left( -\dfrac{2}{3} \right)} = -\dfrac{1}{2} \end{align}\]

よって, 求めるすべての組は \[ (a,b,c) = \underline{\left( -\dfrac{2}{3} , -\dfrac{1}{3} , 1 \right) , \left( -\dfrac{5}{3} , \dfrac{2}{3} , \dfrac{1}{2} \right)} \]

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