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広島大学 2021年度 前期文系数学 第4問

次の問いに答えよ。

(1) A=sinx とおく。sin5xA の整式で表せ。

(2) sin2π5 の値を求めよ。

(3) 曲線 y=cos3xx0)と曲線 y=cos7xx0)の共有点の x 座標を,小さい方から順に x1,x2,x3, とする。このとき,y=cos3x(x5xx6)の値域を求めよ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安16

三角関数 式変形、恒等式比較、範囲評価

方針

加法定理を繰り返して sin5xsinx の式に直す。(2)では x=π5 を代入し,値の大小で根を選ぶ。(3)では cos3x=cos7x を解き,最初の共有点を並べてから該当区間で cos3x の最大最小を読む。

解答

(1)
A=sinx とおく。加法定理と cos2x=1A2 より整理するとsin5x=16A520A3+5Aである。

(2) x=π5 とすると sin5x=0,かつ sinx0 である。u=sin2π5 とおくと,(1)より16u220u+5=0である。したがってu=5±58である。0<π5<π4より 0<u<12 だから,sin2π5=558である。

(3)
cos3x=cos7x より3x=7x+2kπまたは3x=7x+2kπである。したがって,x0の共有点のx座標は,π2の非負整数倍とπ5の非負整数倍を合わせたものである。小さい方から0,π5,2π5,π2,3π5,4π5,となるから,x5=3π5, x6=4π5である。この区間で 3x9π53x12π5 を動くので,最大値は 3x=2π のときの 1,最小値は右端のcos12π5=cos2π5=514である。よって値域は514y1である。

別解

解法2(三角関数の漸化式と積和公式)

方針

(1)sinnx/sinx の漸化式で5倍角を作る。(2) は得られた2次方程式から角の範囲で根を選ぶ。(3) は差を積へ直して共有点を2つの等差数列として並べ,該当区間の余弦の動きを図で確認する。

解答

(1) Sn=sinnxsinx とおくと,加法定理からSn+1=2cosxSnSn1である。S1=1,S2=2cosx から順に計算すればS5=16cos4x12cos2x+1を得る。A=sinxcos2x=1A2 を代入するとsin5x=A{16(1A2)212(1A2)+1}=16A520A3+5A.(2)x=π5 を代入する。A=sinπ50 なので16A420A2+5=0.u=A2 とおけば16u220u+5=0,u=5±58.ここで 0<π5<π4 だから 0<u<12 である。よって小さい方の根を選び,sin2π5=558となる。

(3)
積和公式によりcos3xcos7x=2sin5xsin2x.したがって共有点はx=kπ5またはx=kπ2(k=0,1,2,)で与えられる。重複を1回と数えて並べると0, π5, 2π5, π2, 3π5, 4π5,だからx5=3π5,x6=4π5.この区間では 3x9π5 から 12π5 まで動く。

最大値は 3x=2π1,最小値は右端でcos12π5=cos2π5=12sin2π5=514.したがって値域は514y1である。

総評

難度5,計算量5。想定時間は16分程度。5倍角の式から正しい根を選び,後半では共有点に x=0 を含めて順序づけることが要点である。値域は 3x の動く範囲に直して端点と 2π を見ると整理しやすい。

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 2021年度 一般選抜前期日程 数学(文系)(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。