Evolton

東北大学 1997年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

(1) 等式(1+sinθ+cosθ)2=(1+sinθ)(1+cosθ)が成り立つことを証明せよ.

(2) θの関数(1+sinθ)(1+cosθ)0θ<360の範囲での
最大値および最小値を求めよ.

難易度4/ 10計算量3/ 10目安12

三角関数 式変形、範囲評価、三角比の利用

方針

(1) は両辺を展開し、sin2θ+cos2θ=1を用いて一致を確認する。(2)では(1)の恒等式から積をu=sinθ+cosθの2次式に直し、2u2における(1+u)22の最大・最小を調べる。

解答

(1)
左辺を展開すると(1+sinθ+cosθ)2=1+sin2θ+cos2θ+2sinθ+2cosθ+2sinθcosθである。sin2θ+cos2θ=1より(1+sinθ+cosθ)2=2+2sinθ+2cosθ+2sinθcosθとなる。一方、2(1+sinθ)(1+cosθ)=2+2sinθ+2cosθ+2sinθcosθであるから、等式は成り立つ。

(2)
(1)より (1+sinθ)(1+cosθ)=(1+sinθ+cosθ)22 である。ここで u=sinθ+cosθ とおくと、u=2sin(θ+45) であるから 2u2 である。したがって対象は (1+u)22 の最大・最小である。

区間[2,2]にはu=1が含まれるので、最小値は (11)22=0 である。最大値は1から最も遠い端点u=2で達し、(1+2)22=3+222 である。

別解

解法2

方針

積を展開せず、u=sinθ+cosθ=2sin(θ+45) と置く。(1)から積は (1+u)2/2 となるので、区間上の平方の距離として最大・最小を決める。

解答

(1) 2(1+sinθ)(1+cosθ)=2+2sinθ+2cosθ+2sinθcosθ,(1+sinθ+cosθ)2=2+2sinθ+2cosθ+2sinθcosθ,ここで sin2θ+cos2θ=1 を用いた。よって恒等式が成り立つ。

(2) u=sinθ+cosθ=2sin(θ+45)とおけば 2u2 であり、(1+sinθ)(1+cosθ)=(1+u)22.u=1 が区間内にあるので最小値は 0。また 1 から最も遠い端点は u=2 だから最大値は(1+2)22=3+222.最大は θ=45、最小は θ=180,270 で実現する。

総評

難度4、計算量3。目安時間は12分。恒等式の展開で終わらせず、積をsinθ+cosθだけの式に直す誘導を読む問題である。最小値は端点ではなく区間内のu=1で達する。最大値はu=2側の端点である。

冊子PDFで見る東北大の三角関数の問題で問題集を作る

出典: 東北大学 1997年度 前期 文系 第2問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。