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東北大学 2014年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第5問

整数nに対して,In=π4π2cos((2n+1)x)sinxdxとする。

(1) I0を求めよ。

(2) nを正の整数とするとき,InIn1を求めよ。

(3) I5を求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安18

積分三角関数 式変形、定積分評価、計算整理

方針

(1)I0cotxdx として直接計算する。(2) は InIn1 の被積分関数を作り、公式 cosAcosB=2sinA+B2sinAB2 を用いると分母の sinx が消える。あとは sin(2nx) の積分を端点 π/4,π/2 で評価する。(3) は (2) の差分を n=1 から5まで足し、符号と cos(nπ/2) の値を丁寧に代入する。

解答

(1) I0=π/4π/2cosxsinxdx である。sinx>0 の範囲で ddxlog(sinx)=cosxsinx なのでI0=[log(sinx)]π/4π/2=log1log22=log2=12log2である。

(2) n を正の整数とする。InIn1=π/4π/2cos((2n+1)x)cos((2n1)x)sinxdxである。

ここで cos((2n+1)x)cos((2n1)x)=2sin(2nx)sinx である。したがって InIn1=π/4π/22sin(2nx)dx である。これを積分するとInIn1=[cos(2nx)n]π/4π/2=cos(nπ)cos(nπ/2)n=(1)ncos(nπ/2)nである。

(3)

(1) (2)より I5=I0+n=15(InIn1) である。各差分はI1I0=1,I2I1=1,I3I2=13,I4I3=0,I5I4=15である。したがってI5=12log21+113+015=12log2815である。よって I5=12log2815 である。

総評

難度5、計算量4。目安時間は18分。差を取ると三角関数の公式で分母の sinx が消えることが核心である。(1) は logsinx の端点評価を確実に行う。(2) では cos((2n+1)x)cos((2n1)x) の符号を間違えると以後すべてずれる。(3) は cos(nπ/2) が0、-1、0、1、0と変化するので、表にして足すと安全である。 別解監査では、差分公式を周期4で場合分けする書き方も同じ漸化式の展開なので独立解法として数えず、端点値の検算に用いた。

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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。