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東北大学 2014年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第6問

直線l:2x−3 y=0と,媒介変数で表された曲線C:x=tan⁡t,y=1cos⁡t(0≦t<π2)を考える。

(1) lとCの交点の座標を求めよ。

(2) lとCおよびy軸で囲まれた部分の面積を求めよ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安22分

積分、三角関数、図形と方程式 パラメータ処理、面積計算、置換積分

方針

媒介変数表示から x=tan⁡t、y=1/cos⁡t なので、曲線は x≧0 上の y=1+x2 と見られる。(1) は直線 2x−3y=0 に代入し、2sin⁡t=3 を解く。(2) は y 軸、直線、曲線で囲まれる部分を 0≦x≦3 で積分する。上側が曲線、下側が直線 y=2x/3 である。∫1+x2dx は x=tan⁡t と置いて、∫sec⁡3tdt を処理する。

解答

(1)

曲線 C 上ではx=tan⁡t,y=1cos⁡t(0≦t<π2)である。直線 l:2x−3y=0 との交点では 2tan⁡t−31cos⁡t=0 である。0≦t<π/2 では cos⁡t>0 なので、両辺に cos⁡t をかけて 2sin⁡t=3 を得る。したがって sin⁡t=32 であり、範囲より t=π3 である。このとき x=tan⁡π3=3,y=1cos⁡(π/3)=2 である。よって交点は (3,2) である。

(2)

曲線 C について y2=1cos⁡2t=1+tan⁡2t=1+x2 である。さらに 0≦t<π/2 では y>0、x≧0 なので y=1+x2(x≧0) である。

直線 l は y=23x である。交点の x 座標は 3 で、0≦x≦3 では曲線の方が直線より上にある。したがって求める面積 S はS=∫03(1+x2−23x)dxである。

まず∫0323x dx=23⋅(3)22=3である。

次に ∫031+x2 dx を求める。x=tan⁡t とおくと、x=0 のとき t=0、x=3 のとき t=π/3 であり dx=1cos⁡2t dt,1+x2=1cos⁡t である。よって ∫031+x2 dx=∫0π/31cos⁡3t dt である。この積分を計算すると∫dtcos⁡3t=12(sin⁡tcos⁡2t+log⁡1+sin⁡tcos⁡t)+Cである。したがって ∫031+x2 dx=3+12log⁡(2+3) となる。

よって面積はS={3+12log⁡(2+3)}−3=12log⁡(2+3)である。

別解

解法2(媒介変数のまま面積を積分する)

方針

交点は直線条件を媒介変数へ代入して求める。面積は、曲線の下側の面積を媒介変数表示の公式 ∫y dx で計算し、直線と座標軸が作る三角形の面積を引く。

解答

(1)

交点では2tan⁡t−31cos⁡t=0である。0≦t<π/2 では cos⁡t>0 だから 2sin⁡t=3 となり、t=π/3 である。したがって交点は(x,y)=(3,2)である。

(2)

曲線 C では x=tan⁡t だからdxdt=1cos⁡2tである。t=0 から t=π/3 までの曲線の下側の面積は∫Cy dx=∫0π/31cos⁡t1cos⁡2t dt=∫0π/3dtcos⁡3tである。原始関数∫dtcos⁡3t=12(sin⁡tcos⁡2t+log⁡1+sin⁡tcos⁡t)+Cを用いると∫Cy dx=3+12log⁡(2+3)となる。

一方、直線 l、x 軸、y 軸で切り取られる部分のうち 0≦x≦3 の面積は∫0323x dx=3である。したがって求める面積は12log⁡(2+3)である。

総評

難度5、計算量5。目安時間は22分。媒介変数表示を y=1+x2 に直すと、図形の位置関係が見やすい。(1) は直線条件に代入して 2sin⁡t=3 を解くだけである。(2) は上側が曲線、下側が直線であることを確認してから積分する。∫1+x2dx は少し重いので、x=tan⁡t の置換後に端点 0,π/3 を正しく入れることが重要である。最後に直線部分の面積 3 が消えて対数だけが残る。 別解監査では、解法1は曲線を双曲線 y=1+x2 に直して x で積分し、解法2は媒介変数のまま ∫y dx を使うため、異なる立式として両方を収録した。

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出典: 東北大学 2014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。