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広島大学 2018年度 前期理系数学 第3問

次の問いに答えよ。

(1) すべての実数 t に対し1+t≦etが成り立つことを示せ。

(2) 定積分∫0π411+sin⁡x dxの値を求めよ。

(3) 次の不等式を示せ。π4−1+22≦∫0π4e−sin⁡x dx≦2−2.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安12分

微分、積分、指数・対数、三角関数 不等式評価、定積分評価、誘導利用

方針

(1) は et−t−1 の増減で示す。(2)は分母を有理化して 1−sin⁡xcos⁡2x とする。(3)は (1) を t=−sin⁡x と t=sin⁡x に使い,下側は 1−sin⁡x,上側は 1/(1+sin⁡x) で評価する。

解答

(1)
ϕ(t)=et−t−1 とおくと,ϕ′(t)=et−1 である。したがって t<0 で ϕ′(t)<0,t>0 で ϕ′(t)>0 であり,ϕ(t) は t=0 で最小値 0 をとる。よってすべての実数 t に対して1+t≦etである。

(2) 11+sin⁡x=1−sin⁡xcos⁡2xであるから∫0π411+sin⁡x dx=∫0π4(1cos⁡2x−sin⁡xcos⁡2x)dx=[tan⁡x−1cos⁡x]0π4=2−2である。

(3)
(1)で t=−sin⁡x とすると1−sin⁡x≦e−sin⁡xである。よって∫0π4e−sin⁡x dx≧∫0π4(1−sin⁡x) dx=π4−1+22である。

また,(1)で t=sin⁡x とすると esin⁡x≧1+sin⁡x であるからe−sin⁡x≦11+sin⁡xである。したがって (2) より∫0π4e−sin⁡x dx≦2−2である。以上より求める不等式が示された。

別解

解法2

方針

(1) では指数関数のグラフが t=0 における接線の上側にあることを、2階微分で確認する。(2)では被積分関数を、tan⁡x−sec⁡x の導関数として一度に見抜く。

解答

(1) F(t)=et−(1+t)とおくとF′′(t)=et>0.したがって F′(t) は単調増加しF′(0)=0だから、F は t<0 で減少し、t>0 で増加する。ゆえにF(t)≧F(0)=0,すなわち1+t≦et.これは y=et が t=0 における接線 y=1+t の上側にあることを表す。

(2) ddx(tan⁡x−1cos⁡x)=1cos⁡2x−sin⁡xcos⁡2x=1−sin⁡xcos⁡2x=11+sin⁡x.したがって∫0π411+sin⁡x dx=[tan⁡x−1cos⁡x]0π4=(1−2)−(0−1)=2−2.(3)

(1) に t=−sin⁡x を代入すると1−sin⁡x≦e−sin⁡x.よって∫0π4e−sin⁡x dx≧∫0π4(1−sin⁡x) dx=π4−1+22.一方、(1)に t=sin⁡x を代入すると1+sin⁡x≦esin⁡x.両辺は正なので逆数をとってe−sin⁡x≦11+sin⁡x.したがって (2) より∫0π4e−sin⁡x dx≦∫0π411+sin⁡x dx=2−2.以上で両側の不等式が示された。

総評

難度5,計算量4。想定時間は12分程度。(1)の指数不等式を上下評価の両方に使う誘導問題である。(2)の有理化と,(3)で不等号の向きを取り違えないことが採点上の要点である。 積分は問題文・方針・解答のすべてで独立表示にし、別解では原始関数を直接微分して符号を検算できる構成にした。

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出典: 広島大学 2018年度 前期 理系数学 第3問(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。