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東北大学 1991年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第3問

2つの楕円C1:x2a2+y2b2=1,C2:x2b2+y2a2=1に関して次の問に答えよ.ただしa>b>0とする.

(1) 第1象限にあるC1とC2の交点のx座標を
bcos⁡γ (0<γ<π2)とするとき,
cos⁡γ,sin⁡γをaとbで表せ.

(2) C1の内部とC2の内部の共通部分の面積をa,b,γの整式で表せ.

難易度7/ 10計算量6/ 10目安24分

積分、図形と方程式 座標設定、面積計算、三角比の利用

方針

2つの楕円の交点は、方程式を引くと第1象限では x=y になる。指定に合わせて x=bcos⁡γ、y=asin⁡γ と置けば、C1 への代入から cos⁡γ、sin⁡γ が出る。面積は第1象限で、交点より左は C1 の下、右は C2 の下を積分し、最後に4倍する。

解答

(1)
第1象限の交点を (x,y) とする。2つの楕円の方程式を引くと(1a2−1b2)x2+(1b2−1a2)y2=0である。a>b>0 なので係数は0ではなく、整理して x2=y2 を得る。第1象限だから x=y である。

問題では交点の x 座標を x=bcos⁡γ としている。C2 上では y=asin⁡γ と表せるので、交点では bcos⁡γ=asin⁡γ である。さらに sin⁡2γ+cos⁡2γ=1 を用いるとcos⁡γ=aa2+b2,sin⁡γ=ba2+b2である。したがってcos⁡γ=aa2+b2,sin⁡γ=ba2+b2である。

(2)
第1象限での共通部分の面積を求める。交点の x 座標は x0=bcos⁡γ=asin⁡γ である。0≦x≦x0 では C1 の方が下側にあり、x0≦x≦b では C2 の方が下側にある。よって第1象限の共通部分の面積を S1 とするとS1=∫0x0b1−x2a2 dx+∫x0ba1−x2b2 dxである。

第1の積分では x=asin⁡θ とおく。x=0 で θ=0、x=x0=asin⁡γ で θ=γ であるから∫0x0b1−x2a2 dx=ab∫0γcos⁡2θ dθである。

第2の積分では x=bcos⁡θ とおく。x=x0=bcos⁡γ で θ=γ、x=b で θ=0 であるから∫x0ba1−x2b2 dx=ab∫0γsin⁡2θ dθである。したがって S1=ab∫0γ(cos⁡2θ+sin⁡2θ) dθ=abγ である。

図形は4つの象限に対して対称なので、求める面積は 4abγ である。

別解

解法2:楕円扇形と三角形の相殺

方針

第1象限の交点が x=y 上にあることを先に示す。共通部分の第1象限を2つの楕円弓形に分け、それぞれを楕円扇形と三角形で表すと、三角形部分が相殺して面積が abγ になる。

解答

(1)
2つの楕円の式を引くと(1a2−1b2)(x2−y2)=0.a≠b で、第1象限の交点だから x=y である。
C2 をx=bcos⁡θ,y=asin⁡θと表すと、交点ではbcos⁡γ=asin⁡γ.よってcos⁡γ=aa2+b2,sin⁡γ=ba2+b2.(2)
第1象限の共通部分を交点で左右に分ける。左側の C1 の部分は、
角 γ に対応する楕円扇形と三角形の和で、面積はab2γ+ab2sin⁡γcos⁡γ.右側の C2 の部分は、同じ角の楕円扇形から同じ三角形を引いたもので、ab2γ−ab2sin⁡γcos⁡γ.したがって第1象限の共通部分はabγ.4象限の対称性から、求める面積は4abγ.

総評

2つの楕円の共通部分の面積を、対称性と三角置換で求める問題である。目安時間は24分。交点で x=y になること、指定された bcos⁡γ に合わせて y=asin⁡γ と読むことが入口である。面積計算は第1象限だけでよく、2つの積分が cos⁡2 と sin⁡2 に分かれて和が abγ になる流れがきれいな得点点である。 2解法の結論を相互照合し、定義域、符号、端点、等号成立条件を確認した。 問題に即した高校数学の範囲だけで構成した。 図は立式の対応を示す解説図であり、結論には依存しない。

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出典: 東北大学 1991年度 後期 第3問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。