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東北大学 2013年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第1問

2次方程式4x2+2x−1=0の2つの解をα,β (α>β)とする。

(1) α=cos⁡θとなる角θが,
π3≦θ≦π2の範囲に1つだけ存在することを示せ。

以下,θは(1)で定まるものとする。

(2) β=cos⁡2θであることを示せ。

(3) θの値を求めよ。

(4) sin⁡3θ4を求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安16分

三角関数、方程式・不等式 解と係数の関係、三角比の利用、一意性証明

方針

(1) から (3) は文系後期第2問と同じ流れで、2次方程式の解を求め、cos⁡θ の単調性と2倍角公式で θ を決める。(4) は θ=2π/5 を代入し、sin⁡(3π/10)=cos⁡(π/5) に直して既知の値を使う。

解答

(1)
2次方程式 4x2+2x−1=0 の解は x=−2±208=−1±54 である。α>β より α=−1+54,β=−1−54 である。 2<5<3 だから 0<α<12 である。また π/3≦θ≦π/2 で cos⁡θ は 1/2 から 0 まで単調に減少する。したがって α=cos⁡θ となる θ はこの範囲にただ1つ存在する。

(2) α は方程式 4x2+2x−1=0 の解なので 4α2+2α−1=0 である。これより 2α2−1=−α−12 であり、α=(−1+5)/4 を代入すると 2α2−1=−1−54=β である。したがって cos⁡2θ=2cos⁡2θ−1=2α2−1=β である。

(3) ϕ=2π5とおく。和積の公式を繰り返すと得られる恒等式1+2cos⁡ϕ+2cos⁡2ϕ=sin⁡(5ϕ/2)sin⁡(ϕ/2)に ϕ=2π/5 を代入すると、右辺は 0 になる。c=cos⁡ϕ とおき、cos⁡2ϕ=2c2−1 を使えば4c2+2c−1=0を得る。さらに π/3<ϕ<π/2 なので 0<c<1/2 であり、c は大きい方の解 α である。

(1) で、この範囲に cos⁡θ=α となる角はただ1つであることを示した。したがってθ=2π5である。

(4)
(3) よりsin⁡3θ4=sin⁡3π10=cos⁡π5.cos⁡(π/5)>0 であり、半角の関係と α=cos⁡(2π/5) からcos⁡2π5=1+cos⁡(2π/5)2=1+α2=3+58.一方、(1+54)2=3+58である。正の平方根を選んでsin⁡3θ4=1+54を得る。

総評

難度5、目安時間16分。前半は解の公式と2倍角公式の標準問題で、2θ の範囲を明示して角を一意に決めることが採点上重要である。(4) は 3θ/4=3π/10 まで出れば、余角で cos⁡π/5 に直せる。典型ミスは、θ=2π/5 を得た後に 3θ/4 の計算を 3π/5 などと取り違えることである。

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出典: 東北大学 2013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。