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東北大学 2019年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第1問

xy平面における曲線y=sinxの2つの接線が直交するとき,
その交点のy座標の値をすべて求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安14

三角関数微分 接線・法線三角比の利用、場合分け

方針

曲線 y=sinxx=α における接線の傾きは cosα である。2本の接線が直交するには傾きの積が 1 でなければならず、cosx の値域から、傾きは一方が1、他方が 1 に限られる。そこで x=2kπx=(2l+1)π における接線を求め、交点の y 座標を列挙する。

解答

曲線 y=sinxx=α における接線の傾きは cosα である。2つの接線が直交するためには、傾きの積が 1 でなければならない。すなわち、接点の x 座標を α,β とすると cosαcosβ=1 である。 1cosx1 であるから、この等式が成り立つには、一方が1、他方が 1 でなければならない。よって接点は α=2kπ,β=(2l+1)π と書ける。ただし k,l は整数である。 x=2kπ における接線は y=x2kπ であり、x=(2l+1)π における接線は y=x+(2l+1)π である。交点では x2kπ=x+(2l+1)π だから、その y 座標は y=x2kπ=(2l+1)π2kπ2=(2(lk)+1)π2 である。

逆に、任意の整数 m に対して m=lk となる整数 k,l を取れば、この値は実際に得られる。したがって求める値は (2m+1)π2(mZ) である。

別解

解法2(切片から交点を読む)

方針

直交するための傾きが 1,1 に限られることを確認した後、それぞれの接線族を切片の形で書く。2直線の式を加えれば交点の y 座標が直接得られる。

解答

接点の x 座標を α,β とすると、接線の傾きはそれぞれ cosα,cosβ である。直交条件はcosαcosβ=1.両因子の絶対値は 1 以下だから、傾きは 11 に限られる。

傾き 1 の接線は x=2kπ におけるy=x2kπであり、傾き 1 の接線は x=(2l+1)π におけるy=x+(2l+1)πである。2式を加えると、交点の y 座標は2y=(2l+1)π2kπ.したがってy=(2(lk)+1)π2.lk は任意の整数を動くので、求める値はy=(2m+1)π2(mZ)である。

総評

難度5、目安時間14分。直交条件から傾きの積が 1 になることと、cosx の値域を組み合わせるのが核心である。積が 1 になるには 11 の組しかないため、接点は正弦曲線の極値点に限られる。交点の y 座標は整数2つの差で決まるので、最後に任意の奇数倍 π/2 が実現することを確認すると、必要十分な答えになる。

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出典: 東北大学 2019年度 前期 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。