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東北大学 2026年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第5問

座標平面上の曲線Cは,媒介変数tを用いてx=etcos⁡t,y=etsin⁡t(0≦t≦π2)と表されている。曲線Cのy軸に平行な接線をlとし,
曲線C,直線lおよびx軸で囲まれる図形をDとする。以下の問いに答えよ。

(1) 直線lの方程式を求めよ。

(2) 正の実数α, βに対し,次の2つの不定積分を求めよ。I=∫eαtcos⁡βtdt,J=∫eαtsin⁡βtdt(3) Dをx軸の周りに1回転させてできる立体の体積Vの値を求めよ。

難易度7/ 10計算量7/ 10目安30分

積分、微分、図形と方程式 置換、置換積分、体積計算、部分積分

方針

媒介変数表示された曲線では,接線の向きは (dx/dt,dy/dt) で決まる。縦接線は dx/dt=0,かつ dy/dt≠0 となる点で求める。(2)は部分積分を2回使い,I,J の連立方程式として解く。(3)では,図形 D の境界となる曲線部分が 0≤t≤π/4 に対応し,この範囲で x(t) が増加するので,回転体の体積を π∫y2 dx で表す。最後は三角関数の積を和に直し,(2)の公式を用いて積分する。

解答

(1) 与えられた曲線は x=etcos⁡t,y=etsin⁡t である。導関数は dxdt=etcos⁡t−etsin⁡t=et(cos⁡t−sin⁡t) および dydt=etsin⁡t+etcos⁡t=et(sin⁡t+cos⁡t) である。縦接線は dx/dt=0 となる点で生じるので,cos⁡t−sin⁡t=0 より t=π4 である。このときdydt=eπ/4(12+12)=2eπ/4≠0であるから,確かに接線は縦である。

したがって,その接線 l は t=π/4 における x 座標を用いて x=eπ/4cos⁡π4=eπ/42 すなわち l:x=eπ/42 である。

(2) I=∫eαtcos⁡βt dt,J=∫eαtsin⁡βt dtとおく。問題の条件より β>0 である。

まず I について,cos⁡βt を積分する形で部分積分すると I=eαtsin⁡βtβ−αβJ である。すなわち βI+αJ=eαtsin⁡βt である。

次に J について,sin⁡βt を積分する形で部分積分すると J=−eαtcos⁡βtβ+αβI である。すなわち −αI+βJ=−eαtcos⁡βt である。

この2本の連立方程式を解くと,(α2+β2)I=eαt(αcos⁡βt+βsin⁡βt)および(α2+β2)J=eαt(αsin⁡βt−βcos⁡βt)を得る。したがってI=eαt(αcos⁡βt+βsin⁡βt)α2+β2+C1J=eαt(αsin⁡βt−βcos⁡βt)α2+β2+C2である。

(3) 図形 D の境界となる曲線部分は,x 軸上の点 (1,0) に対応する t=0 から,直線 l との接点に対応する t=π/4 までである。したがって 0≤t≤π/4 を用いる。この範囲では dxdt=et(cos⁡t−sin⁡t)≥0 であるから,x は増加する。x 軸のまわりに回転してできる立体の体積 V は V=π∫y2 dx で与えられる。媒介変数 t を用いると V=π∫0π/4(etsin⁡t)2 et(cos⁡t−sin⁡t) dt である。したがって V=π∫0π/4e3tsin⁡2t(cos⁡t−sin⁡t) dt である。

三角関数を積和の形に直す。まず sin⁡2tcos⁡t=14(cos⁡t−cos⁡3t) であり,sin⁡3t=14(3sin⁡t−sin⁡3t) である。よって sin⁡2t(cos⁡t−sin⁡t)=14(cos⁡t−3sin⁡t−cos⁡3t+sin⁡3t) となる。

したがって,(2)の公式を α=3,β=1,3 に対して用いればよい。計算をまとめると,∫e3tsin⁡2t(cos⁡t−sin⁡t) dt=e3t4(3cos⁡t−4sin⁡t5−cos⁡3t3)である。

これを 0 から π/4 まで代入する。t=π/4 ではcos⁡t=sin⁡t=12,cos⁡3t=cos⁡3π4=−12であるから,e3π/44(3/2−4/25+132)=e3π/44⋅215=2e3π/460である。t=0 では 14(35−13)=115 である。したがって∫0π/4e3tsin⁡2t(cos⁡t−sin⁡t) dt=2e3π/460−115=2e3π/4−460である。

よって求める体積は V=π60(2e3π/4−4) である。

総評

難易度は7/10で,25〜30分を要する理系の差がつく積分問題である。(1)は dx/dt=0 に加えて dy/dt≠0 を確認すること,(2)は部分積分2回から I,J の連立方程式を正確に解くこと,(3)は図形 D の境界が 0≤t≤π/4 に対応することを確認し,V=π∫y2 dx を立てることが主な採点点になる。曲線全体 0≤t≤π/2 を積分すること,dx/dt を掛け忘れること,三角関数の3倍角変形や端点代入で符号を誤ることが典型的な失点である。(2)の公式を先に完成させ,(3)では被積分関数を cos⁡t,sin⁡t,cos⁡3t,sin⁡3t の和にしてから代入すると計算が安定する。

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出典: 東北大学 2026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。