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東北大学 2012年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

関数f(x)f(x)=2cos2x23sinxcosxsinx+3cosx54と定める。以下の問いに答えよ。

(1) t=sinx+3cosxとおく。f(x)tの関数として表せ。

(2) x0x90の範囲を動くとき,tのとりうる値の範囲を求めよ。

(3) x0x90の範囲を動くとき,f(x)のとりうる値の範囲を求めよ。
また,f(x)が最大値をとるxは,60<x<75を満たすことを示せ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安25

三角関数関数 置換、範囲評価、絶対値の処理

方針

まず t=sinx+3cosx の二乗を計算し、絶対値の中身を t2+t9/4 に変形する。次に t=2cos(x+30) として、0x90 における t の範囲を単調性から求める。最後は区間 [1,3] 上で t2+t9/4 の最大最小を調べ、最大をとる t=1/2 から対応する x の範囲を示す。

解答

(1) t=sinx+3cosx とおく。二乗すると t2=sin2x23sinxcosx+3cos2x である。sin2x+cos2x=1 を用いると t2=1+2cos2x23sinxcosx である。したがって絶対値の中身は 2cos2x23sinxcosxsinx+3cosx54 =(t21)+t54=t2+t94 となる。よって f(x)=t2+t94 である。

(2) t=sinx+3cosx=2cos(x+30) である。0x90 のとき 30x+30120 であり、この範囲で cos は単調減少する。したがって 2cos120t2cos30 すなわち 1t3 である。

(3) g(t)=t2+t94 とおく。1t3 で考えると、g(t)t=1/2 で最小値 g(12)=52 をとる。また g(1)=94,g(3)=3+34 である。さらに g(t)=0 の正の解 t=1+102[1,3] に含まれるので、g(t) の最小値は0である。

一方、g(t) の最大値は、g の最小値の絶対値と端点の絶対値を比べればよい。上の値から最大は 52=52 である。したがって 0f(x)52 である。

最大値をとるのは t=12 のときである。すなわち 2cos(x+30)=12 であるから cos(x+30)=14 である。このとき x+30>90 なので x>60 である。また cos105=264<14 であり、cos[30,120] で単調減少する。cos(x+30)=1/4cos105 より大きいから x+30<105 である。よって 60<x<75 を満たす。

総評

難度5、目安時間25分。三角式をそのまま扱わず、指定された t によって絶対値付き二次関数へ落とす問題である。t=2cos(x+30) の範囲を単調性で出すこと、g(t) の最大では二次関数の頂点と端点を比較することが重要である。最後の 60<x<75 は、最大値をとる条件 t=1/2 から角度範囲へ戻す部分まで書くと説得力が出る。

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出典: 東北大学 2012年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。