方針
加法定理を繰り返して を の式に直す。(2)では を代入し,値の大小で根を選ぶ。(3)では を解き,最初の共有点を並べてから該当区間で の最大最小を読む。
解答
(1)
とおく。加法定理と より整理するとである。
(2) とすると ,かつ である。 とおくと,(1)よりである。したがってである。より だから,である。
(3)
よりである。したがって,の共有点の座標は,の非負整数倍との非負整数倍を合わせたものである。小さい方からとなるから,である。この区間で は を動くので,最大値は のときの ,最小値は右端のである。よって値域はである。
別解
解法2(三角関数の漸化式と積和公式)
方針
(1) は 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) とおくと,加法定理からである。 から順に計算すればを得る。, を代入すると(2) を代入する。 なので とおけばここで だから である。よって小さい方の根を選び,となる。
(3)
積和公式によりしたがって共有点はで与えられる。重複を1回と数えて並べるとだからこの区間では が から まで動く。
最大値は で ,最小値は右端でしたがって値域はである。
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 を含めて順序づけることが要点である。値域は の動く範囲に直して端点と を見ると整理しやすい。