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東京大学 前期・理科 数学記述模試 第030回

この回のテストポイント

試験の条件と取り組み方

この模試の演習範囲は数学I（全範囲）／数学II（全範囲）／数学III（全範囲）／数学A（全範囲）／数学B（数列・統計的な推測）／数学C（ベクトル・平面上の曲線と複素数平面）です。問題・解答は独自に作成したものです。途中式、場合分け、証明の根拠も書きなさい。

時間・配点・範囲は2027年度の公式選抜要項を確認しています（確認日：2026-10-03）。大問数と記述形式は公開試験（2026年度）を参考にした演習設計です。小問配点は本模試の採点基準です。

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問題

第1問　対数方程式の存在条件（20点）

\(\log_2 x+\log_2(18-x)=a\) を考える。\(a\) は実数である。

（1）真数条件を示し、実数解が存在するための必要十分条件を求めなさい。（6点）

（2）実数解の個数を場合分けして求めなさい。（6点）

（3）\(a=\log_2 \frac{243}{4}\) のとき、すべての解を求めなさい。（8点）

第2問　等周条件と三角形の面積（20点）

周の長さが \(108\) の二等辺三角形を考える。等しい2辺の長さをa、底辺の長さをbとする。

（1）底辺をaで表し、三角形が存在するaの範囲を求めなさい。（6点）

（2）面積が最大になる辺の長さと最大面積を求め、最大になる理由を示しなさい。（6点）

（3）面積が最大になる三角形の内接円の半径を求めなさい。（8点）

第3問　標本平均と片側検定・必要標本数（20点）

ある母集団の母標準偏差は \(18\) で既知とする。独立な \(1296\) 個の標本の平均は \(\bar x=51\) だった。帰無仮説 \(\mu=50\)、対立仮説 \(\mu>50\) を有意水準5%で検定する。標本平均は正規分布で近似でき、標準正規分布の上側5%点は1.645、両側95%区間には1.96を使う。

（1）標本平均の標準偏差と標準化した検定統計量を求めなさい。（6点）

（2）検定の結論を、対立仮説の向きと有意水準を含めて説明しなさい。（6点）

（3）母平均の95%信頼区間の半幅を0.5以下にする最小の標本数を求めなさい。（8点）

第4問　絶対値を含む面積の最適化（20点）

\(0\le a\le18\) とする。\(0\le x\le18\) で、曲線 \\(y=x^2\\) と直線 \(y=ax\) の間の面積をS(a)とする。

（1）交点で区間を分け、面積をaの式で表しなさい。（6点）

（2）面積が最小になるaを求め、端点との比較を含めて説明しなさい。（6点）

（3）面積の最小値を求めなさい。（8点）

第5問　指数関数の最大値と積分の極限（20点）

\(x\ge0\) で \(f(x)=xe^{-18x}\) とする。

（1）増減を調べ、最大値とそれをとる横座標を求めなさい。（6点）

（2）\(a>0\) として \(\int_0^a f(x)\,dx\) を求めなさい。（6点）

（3）前問の定積分で上端を限りなく大きくしたときの極限値を求めなさい。（8点）

第6問　複素数の回転と正三角形（20点）

複素数平面で \(A=18,B=18i\) とする。ABを1辺とする正三角形の第3頂点をCとする。

（1）2つの可能な第3頂点を複素数で求めなさい。（6点）

（2）正三角形の面積を求めなさい。（6点）

（3）それぞれの外心の複素数と、共通の外接円の半径を求めなさい。（8点）

解答・解説

第1問　対数方程式の存在条件

（1）

真数条件は \(0<x<18\)。\(x(18-x)=324/4-(x-18/2)^2\) なので、この積の値域は \((0,324/4]\)。対数の底が1より大きいことを使う。

\[ \boxed{0<x<18,\quad a\le\log_2 81} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（2）

積が最大値より小さい正の値なら頂点の左右に1解ずつ、最大値なら頂点に1解、それを超えれば解はない。対数の真数条件も満たす。

\[ \boxed{a<\log_2 81:2\text{個};\quad a=\log_2 81:1\text{個};\quad a>\log_2 81:0\text{個}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（3）

\(x(18-x)=\frac{243}{4}\) を解く。2つの解の和は \(18\)、積は右辺。得られた解が真数条件に入ることを確認する。

\[ \boxed{x=\frac{9}{2},\ \frac{27}{2}} \]

採点の目安：考え方と立式に4点、結論と条件の確認に4点。

第2問　等周条件と三角形の面積

（1）

\(b=108-2a\)。\(b>0\) と三角不等式 \(b<2a\) の両方を満たす必要がある。

\[ \boxed{b=108-2a,\quad 27<a<54} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（2）

底辺を二等分して高さを求めると \(S^2=54(54-a)^2(2a-54)\)。微分すると \((S^2)'=324(54-a)(36-a)\)。存在範囲で \(a=36\) の前は正、後は負。最大は正三角形のとき。

\[ \boxed{a=b=36,\quad S_{\max}=324\sqrt3} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（3）

半周長は \(54\)。内心から3辺に垂線を下ろして分割すると \(S=54r\)。

\[ \boxed{r=6\sqrt{3}} \]

採点の目安：考え方と立式に4点、結論と条件の確認に4点。

第3問　標本平均と片側検定・必要標本数

（1）

標本平均の標準偏差は

\[ \sigma/\sqrt n=18/\sqrt{1296}=1/2 \]

。\(Z=(51-50)/(1/2)=2\)。

\[ \boxed{\sigma_{\bar X}=\frac12,\quad Z=2} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（2）

対立仮説は平均が大きいという片側。統計量2は上側5%点1.645を超えるため帰無仮説を棄却する。5%水準で母平均が50より大きいと判断する。帰無仮説が誤りである確率が95%という意味ではない。

\[ \boxed{\text{有意水準5\%で棄却する}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（3）

半幅は \(1.96\sigma/\sqrt n\)。\(1.96\cdot18/\sqrt n\le0.5\) を解くと \(n\ge(3.92\cdot18)^2\)。標本数は整数なので切り上げる。

\[ \boxed{4979} \]

採点の目安：考え方と立式に4点、結論と条件の確認に4点。

第4問　絶対値を含む面積の最適化

（1）

差は \(x(a-x)\)。\(0\le x\le a\) では直線が上、\(a\le x\le18\) では曲線が上。

\[ S=\int_0^a(ax-x^2)\,dx+\int_a^{18}(x^2-ax)\,dx \]

。

\[ \boxed{S(a)=\frac{a^3}3-162a+1944} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（2）

\(S'(a)=a^2-162\)。定義域内で \(a=18/\sqrt2\) の前は減少、後は増加する。よって両端よりも小さい。

\[ \boxed{a=9\sqrt{2}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（3）

前問の値を面積の式に代入し、根号を整理して分母を有理化する。

\[ \boxed{S_{\min}=972(2-\sqrt2)} \]

採点の目安：考え方と立式に4点、結論と条件の確認に4点。

第5問　指数関数の最大値と積分の極限

（1）

\(f'(x)=e^{-18x}(1-18x)\)。指数因子は正なので \(x=1/18\) の前は増加、後は減少。

\[ \boxed{x=\frac1{18},\quad\max f=\frac1{18e}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（2）

部分積分する。原始関数は \(-\frac{18x+1}{324}e^{-18x}\) であり、微分でも確認できる。

\[ \boxed{\frac{1-(18a+1)e^{-18a}}{324}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（3）

\(e^{-18a}\) と \(ae^{-18a}\) はともに0に収束する。前問の式で残る定数項をとる。

\[ \boxed{\frac{1}{324}} \]

採点の目安：考え方と立式に4点、結論と条件の確認に4点。

第6問　複素数の回転と正三角形

（1）

\[ C-A=(B-A)(\cos(\pi/3)\pm i\sin(\pi/3)) \]

。整理すると \(C=(A+B)/2\pm i\sqrt3(B-A)/2\)。両符号が2つの側を表す。

\[ \boxed{C=9(1\pm\sqrt3)(1+i)} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（2）

\(|B-A|=18\sqrt2\)。正三角形の面積は辺の2乗の \(\sqrt3/4\) 倍。

\[ \boxed{S=162\sqrt{3}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に3点。

（3）

正三角形の外心は重心とも一致するので \((A+B+C)/3\)。半径は辺の長さを \(\sqrt3\) で割る。

\[ \boxed{O_\pm=3(3\pm\sqrt3)(1+i),\quad R=6\sqrt{6}} \]

採点の目安：考え方と立式に4点、結論と条件の確認に4点。