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、−2≦u≦2における2(1+u)2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)=2(1+sinθ+cosθ)2 である。ここで u=sinθ+cosθ とおくと、u=2sin(θ+45∘) であるから −2≦u≦2 である。したがって対象は 2(1+u)2 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 2(1−1)2=0 である。最大値は−1から最も遠い端点u=2で達し、2(1+2)2=23+22 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)(1+sinθ+cosθ)2=2+2sinθ+2cosθ+2sinθcosθ,=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 −2≦u≦2 であり、(1+sinθ)(1+cosθ)=2(1+u)2.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2(1+2)2=23+22.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。