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東北大学 2014年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第4問

実数xyに対してA=2sinx+siny,B=2cosx+cosyとおく。

(1) cos(xy)ABを用いて表せ。

(2) xyA=1を満たしながら変化するとき,
Bの最大値と最小値,およびそのときのsinxcosxの値を求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安18

三角関数図形と方程式 式変形、範囲評価、三角比の利用

方針

(1)A2+B2 を展開し、sinxsiny+cosxcosy=cos(xy) を使って cos(xy) を取り出す。(2) は A=1 を固定したとき、(1) から B2cos(xy) の関係を得る。1cos(xy)1 により B の範囲を出し、最大・最小が実際に達成できることを確認する。等号成立時は cos(xy)=1、すなわち xy が同じ向きであることから 3sinx=13cosx=B を求める。

解答

(1) A=2sinx+siny,B=2cosx+cosy である。両方を2乗して足すとA2+B2=(2sinx+siny)2+(2cosx+cosy)2=4(sin2x+cos2x)+(sin2y+cos2y)+4(sinxsiny+cosxcosy)=4+1+4cos(xy)=5+4cos(xy)である。したがって cos(xy)=A2+B254 である。

(2) A=1 とする。(1)より cos(xy)=1+B254=B244 である。常に 1cos(xy)1 だから 1B2441 である。これを整理すると 0B28 である。したがって 22B22 である。

次に、この両端が実際に達成されることを確認する。B2=8 となるには B244=1 すなわち cos(xy)=1 であればよい。これは xy が同じ向き、つまり三角比が同じ値になる場合に実現できる。このとき siny=sinx,cosy=cosx であるから A=3sinx,B=3cosx である。 A=1 より 3sinx=1 なので sinx=13 である。このとき cos2x=119=89 だから cosx=±223 である。 cosx=22/3 のとき B=3cosx=22 であり、これが最大値である。cosx=22/3 のとき B=3cosx=22 であり、これが最小値である。

よって最大値は 22 で、そのとき sinx=13,cosx=223 である。最小値は 22 で、そのとき sinx=13,cosx=223 である。

総評

難度5、計算量4。目安時間は18分。A2+B2 を展開して cos(xy) を出すところが中心である。(2) は B2 の範囲だけで終わらず、最大値・最小値が実際に達成できることを確認する必要がある。等号成立は cos(xy)=1 で、xy の三角比が同じ向きになる場合である。最後は A=3sinx=1B=3cosx と整理すると、sinx,cosx の値まで自然に求まる。 別解監査では、平面ベクトルや複素数で 2eix+eiy の長さを見る方法も、A2+B2 の恒等式と同じ内容なので独立解法として数えていない。

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出典: 東北大学 2014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。