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東北大学 2007年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第6問

楕円x24+y29=1上に
点Pk(k=1, 2, ⋯ , n)を∠PkOA=knπを満たすようにとる。
ただし、O=(0, 0)、A=(2, 0)とする。このとき、lim⁡n→∞1n(1OP12+1OP22+⋯+1OPn2)を求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15分

図形と方程式、積分 三角比の利用、極限計算、定積分評価

方針

偏角 θ の楕円上の点を P=(rcos⁡θ,rsin⁡θ) と置く。楕円の式に代入すれば 1/r2=cos⁡2θ/4+sin⁡2θ/9 が得られる。問題の和は θk=kπ/n におけるこの関数の平均であり、n→∞ で区間 [0,π] の平均値、すなわち (1/π)∫0π を計算すればよい。sin⁡2 と cos⁡2 の平均はいずれも 1/2 である。

解答

θ=∠POA とし、楕円上の点 P を P=(rcos⁡θ,rsin⁡θ) と表す。このとき r=OP である。楕円 x24+y29=1 に代入すると r2cos⁡2θ4+r2sin⁡2θ9=1 である。したがって1OP2=1r2=cos⁡2θ4+sin⁡2θ9である。

ここで Pk は θk=kπn(k=1,2,…,n) に対応する。よって求める極限はlim⁡n→∞1n∑k=1n(cos⁡2(kπ/n)4+sin⁡2(kπ/n)9)である。これは区間 [0,π] 上の平均値に等しく1π∫0π(cos⁡2θ4+sin⁡2θ9)dθとなる。

また∫0πsin⁡2θ dθ=∫0πcos⁡2θ dθ=π2である。したがって極限は1π(14⋅π2+19⋅π2)=12(14+19)=1372である。

等角度で取った Pk に対する 1/OPk2 の平均はリーマン和になる。

別解

解法2

方針

楕円の極方程式から 1/OPk2 を求めた後、sin⁡2θ=(1−cos⁡2θ)/2 と1の n 乗根の和を使い、各有限和を厳密に n/2 とする。

解答

P=(rcos⁡θ,rsin⁡θ) とおく。楕円の式から1r2=cos⁡2θ4+sin⁡2θ9.よって求める平均は1n∑k=1n{cos⁡2(kπ/n)4+sin⁡2(kπ/n)9}.n≧2 では∑k=1ncos⁡2kπn=0だから∑k=1ncos⁡2kπn=n2,∑k=1nsin⁡2kπn=n2.したがって各 n≧2 で平均はすでに14⋅12+19⋅12=1372である。よって極限も1372となる。

総評

難度5、計算量4。楕円上の点を極座標的に P=(rcos⁡θ,rsin⁡θ) と置けば、1/OP2 が三角関数の二次式としてすぐに出る。あとは等分点での平均を定積分の平均に移すだけである。k=1 から n までなので端点 0 は含まれないが、リーマン和の極限には影響しない。sin⁡2、cos⁡2 の平均が 1/2 であることを使えば計算は短い。12分程度でまとめたい。

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出典: 東北大学 2007年度 後期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。