方針
条件をsinθ−cosθで整理してθの範囲を出す。次にu=sinθ−cosθとおき,u2=1−2sinθcosθからtの範囲を得る。距離は(sinθ−cosθ)2と(sin2θ−cos2θ)2に分け,最後はtの二次式として最大最小を調べる。
解答
(1) sinθ−cosθ=2sin(θ−4π)である。条件よりsin(θ−4π)>21であり,0≦θ<2πを考えると2π<θ<πである。
(2)
u=sinθ−cosθとおく。(1)の範囲で1<u≦2である。またu2=sin2θ+cos2θ−2sinθcosθ=1−2tであるからt=21−u2となる。したがって−21≦t<0である。
(3) L2=(sinθ−cosθ)2+(sin2θ−cos2θ)2=(sinθ−cosθ)2{1+(sinθ+cosθ)2}である。ここで(sinθ−cosθ)2=1−2t,(sinθ+cosθ)2=1+2tよりL=2(1−2t)(1+t)である。
(4)
(3)よりL2=2−2t−4t2=49−4(t+41)2である。−21≦t<0だから,最大はt=−41のときでL=23となる。このときsin2θ=2t=−21よりθ=127π, 1211πである。最小はt=−21のときでL=2となる。このときsin2θ=−1よりθ=43πである。
別解
解法2
方針
u=sinθ−cosθ を直接媒介変数にし,距離の二乗を u の4次式として処理する。
解答
(1) 2sin(θ−π/4)>1 より2π<θ<π.(2) この範囲で 1<u=sinθ−cosθ≦2 であり,t=sinθcosθ=21−u2だから −1/2≦t<0 である。
(3)L2=u2{1+(sinθ+cosθ)2}=u2(3−u2)=2(1−2t)(1+t).(4)L2=49−4(t+41)2.したがって最大値 3/2 は t=−1/4,すなわちθ=127π,1211πで,最小値 2 は t=−1/2,すなわち θ=3π/4 で取る。
総評
難度5,計算量5。想定時間は15分程度。条件を2sin(θ−π/4)>1に直すところと,L2をtだけで表す式変形が得点の中心である。端点t=0は含まれないため,最小値の到達点を確認する必要がある。
冊子PDFで見る広大の三角関数の問題で問題集を作る
出典: 広島大学 2017年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。