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東北大学 1994年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第6問

xに関する多項式Pn(x) (n=0,1,2,)が,
すべての実数θに対してPn(cosθ)=cosnθを満たすものとする.

(1) Pn+1(x)+Pn1(x)を,Pn(x)を用いて表せ.
またPn(x)の次数を求めよ.

(2) P5(x)を求めよ.

(3) 方程式P5(x)=1の異なる実数解の個数を求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安22

三角関数関数 漸化式の変形恒等式比較、範囲評価

方針

Pn(cosθ)=cosnθ なので、加法定理 cos(n+1)θ+cos(n1)θ=2cosθcosnθ をそのまま多項式の関係に移す。次数はこの漸化式から帰納的に決める。P5P0,P1 から順に計算し、P5(x)=1 は因数分解して、[1,1] 外の根がないことまで確認する。

解答

(1)

加法定理より cos(n+1)θ+cos(n1)θ=2cosθcosnθ である。x=cosθ とおくと Pn+1(x)+Pn1(x)=2xPn(x) である。よって Pn+1(x)+Pn1(x)=2xPn(x) である。

また P0(x)=1P1(x)=x である。上の関係から Pn+1(x)=2xPn(x)Pn1(x) であり、Pn の最高次の項は毎回 2xPn から生じて、Pn1 とは打ち消し合わない。したがって Pn(x) の次数は n である。

(2)

順に計算すると P0(x)=1,P1(x)=x P2(x)=2x21 P3(x)=2xP2(x)P1(x)=4x33x P4(x)=2xP3(x)P2(x)=8x48x2+1 である。よって P5(x)=2xP4(x)P3(x)=16x520x3+5x である。したがって P5(x)=16x520x3+5x である。

(3)

(2) より P5(x)1=16x520x3+5x1 である。これを因数分解すると P5(x)1=(x1)(4x2+2x1)2 となる。したがって実数解は x=1,4x2+2x1=0 から得られる。

二次方程式の2解は x=1+54,x=154 であり、いずれも実数で、x=1 とは異なる。よって異なる実数解の個数は 3 である。

別解

解法2

方針

最後の方程式は x=cosθ とおいて角度で解く。得た3値の重複度の合計が5次多項式の次数に達することを因数分解で確認し、区間外の実根がないことまで保証する。

解答

(1)
加法定理からPn+1(x)+Pn1(x)=2xPn(x).P0=1, P1=x とこの漸化式により、最高次係数は消えないので
Pn の次数は n である。

(2)
漸化式を順に用いてP5(x)=16x520x3+5x.(3)
1x1x=cosθ, 0θπ とおくとP5(x)=1    cos5θ=1.よってθ=0,2π5,4π5から異なる3実根を得る。実際P5(x)1=(x1)(4x2+2x1)2であり、右辺はこの3実根だけで5次分の重複度を尽くす。したがって
異なる実数解は3個である。

総評

三角関数の加法定理から多項式の漸化式を作る問題。目安時間は22分前後。(1)は加法定理をそのまま使えばよいが、次数については最高次の項が消えないことを帰納的に説明したい。(3)は x=cosθ だけで考えると [1,1] 外の根を見落とす可能性があるため、最後に因数分解で全実数解を確認すると答案として堅い。 2解法の結論を照合し、端点・符号・定義域・必要十分性を再確認した。 図は本文の論証を補助するものであり、縮尺に依存せず結論が得られる。

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出典: 東北大学 1994年度 前期日程 第2次学力試験 理系 前期 第6問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。