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東北大学 2016年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第6問

関数f(x)=0πsin(tx)sin2tdtの区間0xπにおける最大値と最小値を求めよ。

難易度8/ 10計算量7/ 10目安34

積分三角関数 絶対値の処理、場合分け、微分による最大最小

方針

絶対値の中身をg(t)=sin(tx)sin2tとおき,和積公式で符号を調べる。0xπ0tπではsin((t+x)/2)0なので,符号変化はcos((3tx)/2)=0から決まる。分点r=(π+x)/3で積分を分割し,原始関数を用いてf(x)を1つの三角関数に整理する。最後は角2x/3+π/6の範囲で最大・最小を読む。

解答

g(t)=sin(tx)sin2tとおく。和積公式よりg(t)=2cos3tx2sin(t+x2)=2sint+x2cos3tx2.0x,tπではsin((t+x)/2)0である。符号変化点は3tx2=π2r=π+x3,π3r2π3であり,0t<rg(t)0r<tπg(t)0となる。したがってf(x)=0rg(t)dt+rπg(t)dt.原始関数はg(t)dt=cos(tx)+12cos2tであるからf(x)=[cos(tx)+12cos2t]0r+[cos(tx)+12cos2t]rπ=2cos(rx)cos2r+1.ここでrx=π2x3,2r=2π+2x3を代入して整理するとf(x)=3sin(2x3+π6)+1.0xπでは角の範囲がπ62x3+π65π6となる。よってx=π/2のとき最大値4x=0,πのとき最小値5/2をとる。

別解

解法2

方針

積分をパラメータで微分せず,絶対値の三角不等式と補助符号関数で上下から評価する。上側はaba+bを積分し,x=π/2で等号を確認する。下側はx=0での被積分関数の符号に合わせたε(t){1,1}を掛けて積分し,さらにf(πx)=f(x)を併用して一様な下界5/2を作る。

解答

まず三角不等式よりf(x)0πsin(tx)dt+0πsin2tdt=2+2=4.第1の積分はu=txとおけば,長さπの区間におけるsinuの積分なので2である。x=π/2のときsin(tπ2)sin2t=2sintcos2t0であるから,ほとんどすべてのtで2項の符号が反対になり,上の三角不等式で等号が成り立つ。よって最大値は4である。

次にε(t)={1(0tπ3),1(π3<tπ)とおく。ε(t)=1より,任意の実数yについてyε(t)yである。したがってf(x)0πε(t){sin(tx)sin2t}dt.ここで直接計算すると0πε(t)sintdt=1,0πε(t)costdt=3,0πε(t)sin2tdt=32であるからf(x)32+cosx+3sinx.一方,もとの積分でt=πuと置換するとf(πx)=f(x)である。上の評価をπxに適用してf(x)32cosx+3sinxも得る。ゆえにf(x)32+3sinx+cosx.0xπ/2では3sinx+cosx=2sin(x+π/6)1である。π/2xπでもy=πxとおけば同じ評価が使える。したがって常にf(x)5/2である。最後に,x=0ではsintsin2tt=π/3で符号を変えるのでf(0)=0π/3(sintsin2t)dt+π/3π(sintsin2t)dt=52.対称性からf(π)=f(0)でもある。よって最小値は5/2である。

総評

難度8,計算量7。目安時間は34分。絶対値の符号変化点r=(π+x)/3を区間内で一意に決め,原始関数からf(x)を明示するのが標準解法である。別解では三角不等式の等号条件と,x=0での符号に合わせた補助関数による下側評価が採点の中心になる。可変上端・可変被積分関数を直接微分する大学範囲の公式には頼らない。最大値4と最小値5/2の両方について,実際に等号を達成するxまで確認して完答となる。

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出典: 東北大学 2016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。