方針
x=cosθ+sinθとおき,(sinθ+cosθ)2=1+2sinθcosθからsinθcosθをxで表す。xの範囲は−2≦x≦2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=2x2−1 である。
よってf(θ)=2+cosθ1+2+sinθ1=(2+cosθ)(2+sinθ)4+sinθ+cosθであり,分母は4+2(sinθ+cosθ)+sinθcosθ=4+2x+2x2−1=2x2+4x+7である。したがって f(θ)=x2+4x+72(x+4) である。
(2) x=sinθ+cosθの範囲は −2≦x≦2 である。ここで g(x)=x2+4x+72(x+4) とおく。微分するとg′(x)=(x2+4x+7)22(x2+4x+7)−2(x+4)(2x+4)=−(x2+4x+7)22(x2+8x+9)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)=32+7 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)=9+422(4+2)=78−22 である。
したがって,最大値は 32+7 最小値は 78−22 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=2x2−1であるからf(θ)=x2+4x+72(x+4),−2≦x≦2.(2) y=x2+4x+72(x+4)とおくとyx2+(4y−2)x+7y−8=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(4y−2)2−4y(7y−8)=−4(3y2−4y−1)≧0.したがってy≦32+7.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32+7である。
最小値の候補として右端の値m=g(2)=78−22を取る。直接因数分解するとg(x)−m=(9+42)(x2+4x+7)(−8−22)(x−2)(x+2+2/2).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78−22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。
冊子PDFで見る東北大の三角関数の問題で問題集を作る
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。