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東北大学 2017年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第3問

実数θの関数f(θ)=12+cosθ+12+sinθを考える。

(1) x=cosθ+sinθとおくとき,f(θ)xを用いて表せ。

(2) f(θ)の最大値と最小値を求めよ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安24

三角関数関数 置換微分による最大最小、範囲評価

方針

x=cosθ+sinθとおき,(sinθ+cosθ)2=1+2sinθcosθからsinθcosθxで表す。xの範囲は2x2である。得られた1変数関数を微分し,区間内の臨界点と両端の値を比較して最大値・最小値を決める。

解答

(1) x=cosθ+sinθ とおくとx2=cos2θ+sin2θ+2sinθcosθ=1+2sinθcosθである。したがって sinθcosθ=x212 である。

よってf(θ)=12+cosθ+12+sinθ=4+sinθ+cosθ(2+cosθ)(2+sinθ)であり,分母は4+2(sinθ+cosθ)+sinθcosθ=4+2x+x212=x2+4x+72である。したがって f(θ)=2(x+4)x2+4x+7 である。

(2) x=sinθ+cosθの範囲は 2x2 である。ここで g(x)=2(x+4)x2+4x+7 とおく。微分するとg(x)=2(x2+4x+7)2(x+4)(2x+4)(x2+4x+7)2=2(x2+8x+9)(x2+4x+7)2である。 x2+8x+9=0の解は x=4±7 であり,区間[2,2]に入るのはx=4+7だけである。導関数の符号から,g(x)はこの点で最大となる。最大値は g(4+7)=2+73 である。

最小値は端点で比較する。 g(2)>g(2) であるから,最小値はx=2のときであり,g(2)=2(4+2)9+42=8227 である。

したがって,最大値は 2+73 最小値は 8227 である。

別解

解法2

方針

(1) で得た有理式について,最大値は値yを固定した2次方程式の判別式から上限を出す。最小値は右端x=2での値との差を因数分解し,区間全体で非負になることを示す。

解答

(1) x=sinθ+cosθとするとsinθcosθ=x212であるからf(θ)=2(x+4)x2+4x+7,2x2.(2) y=2(x+4)x2+4x+7とおくとyx2+(4y2)x+7y8=0.実数xをもつための必要条件は判別式が非負,すなわち(4y2)24y(7y8)=4(3y24y1)0.したがってy2+73.等号のときの重解はx=4+7で,これは所定の区間内にある。よって最大値は2+73である。

最小値の候補として右端の値m=g(2)=8227を取る。直接因数分解するとg(x)m=(822)(x2)(x+2+2/2)(9+42)(x2+4x+7).区間[2,2]では右辺は非負で,等号はx=2のときに限る。したがって最小値は8227である。

総評

難度5,計算量5。目安時間は24分。sinθ+cosθでまとめると,分母に出るsinθcosθも同じ文字で処理できる。最大・最小はxの範囲[2,2]を忘れず,臨界点が区間内に1つだけあることを確認するのが大切である。最小値は臨界点ではなく端点x=2で出るため,端点比較を省かないこと。

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出典: 東北大学 2017年度 後期 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。