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広島大学 2017年度 前期文系数学 第1問

座標平面上の2A(sinθ,sin2θ),B(cosθ,cos2θ)を考え,A,B間の距離をLとする.ただし,θは条件
(*) 0θ<2πかつsinθcosθ1>0
を満たすとする.次の問いに答えよ.
(1) (*)を満たすθの値を求めよ.
(2) t=sinθcosθとおくとき,tのとり得る値の範囲を求めよ.
(3) Lを(2)のtを用いて表せ.
(4) Lの最大値,最小値を求めよ.また,そのときのθの値を求めよ.

難易度5/ 10計算量5/ 10目安15

三角関数図形と方程式関数 三角比の利用置換、範囲評価、式変形

方針

条件をsinθcosθで整理してθの範囲を出す。次にu=sinθcosθとおき,u2=12sinθcosθからtの範囲を得る。距離は(sinθcosθ)2(sin2θcos2θ)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) sinθcosθ=2sin(θπ4)である。条件よりsin(θπ4)>12であり,0θ<2πを考えるとπ2<θ<πである。

(2)
u=sinθcosθとおく。(1)の範囲で1<u2である。またu2=sin2θ+cos2θ2sinθcosθ=12tであるからt=1u22となる。したがって12t<0である。

(3) L2=(sinθcosθ)2+(sin2θcos2θ)2=(sinθcosθ)2{1+(sinθ+cosθ)2}である。ここで(sinθcosθ)2=12t(sinθ+cosθ)2=1+2tよりL=2(12t)(1+t)である。

(4)
(3)よりL2=22t4t2=944(t+14)2である。12t<0だから,最大はt=14のときでL=32となる。このときsin2θ=2t=12よりθ=7π12, 11π12である。最小はt=12のときでL=2となる。このときsin2θ=1よりθ=3π4である。

別解

解法2

方針

u=sinθcosθ 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(θπ/4)>1 よりπ2<θ<π.(2) この範囲で 1<u=sinθcosθ2 であり,t=sinθcosθ=1u22だから 1/2t<0 である。
(3)L2=u2{1+(sinθ+cosθ)2}=u2(3u2)=2(12t)(1+t).(4)L2=944(t+14)2.したがって最大値 3/2t=1/4,すなわちθ=7π12,11π12で,最小値 2t=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(θπ/4)>1に直すところと,L2t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。