第2問
$\small\sf{\begin{align*} \sf f(t)=t\cos t\ \ ,\ \ g(t)=t\sin t\end{align*}}$ とする。
(1) $\small\sf{\begin{align*} \sf \{f\ (t)\}^2+\{g\ (t)\}^2=\end{align*}}$ サ
$\small\sf{\begin{align*} \sf \{f\ '(t)\}^2+\{g\ '(t)\}^2=\end{align*}}$ シ
$\small\sf{\begin{align*} \sf \{f\ ''(t)\}^2+\{g\ ''(t)\}^2=\end{align*}}$ ス
である。また、
$\small\sf{\begin{align*} \sf \frac{f\ '(t)\ f\ ''(t)+g\ '(t)\ g\ ''(t)}{\sqrt{\{f\ '(t)\}^2+\{g\ '(t)\}^2}\sqrt{\{f\ ''(t)\}^2+\{g\ ''(t)\}^2}}\end{align*}}$
は、t= セ のとき、最大値 ソ をとる。
(2) $\small\sf{\begin{align*} \sf \int_0^{\frac{\pi}{2}}f\ (t)\ g\ '(t)\ dt+\int_0^{\frac{\pi}{2}}f\ '(t)\ g\ (t)\ dt=\end{align*}}$ タ
$\small\sf{\begin{align*} \sf \int_0^{\frac{\pi}{2}}f\ (t)\ g\ '(t)\ dt-\int_0^{\frac{\pi}{2}}f\ '(t)\ g\ (t)\ dt=\end{align*}}$ チ
$\small\sf{\begin{align*} \sf \int_0^{\frac{\pi}{2}}f\ (t)\ g\ '(t)\ dt=\end{align*}}$ ツ
である。
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【解答】
サ t2 シ 1+t2 ス 4+t2 セ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \sqrt2\end{align*}}$ ソ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{1}{3}\end{align*}}$
タ 0 チ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{\pi}{24}\end{align*}}$ ツ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{\pi}{48}\end{align*}}$
【解説】
(1)
f(t)、g(t) の第1次および第2次導関数はそれぞれ、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf f\ '(t)=\cos t-t\sin t\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf g\ '(t)=\sin t+t\cos t\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf f\ ''(t)=-\sin t+\left(-\sin t-t\cos t\right)=-2\sin t-t\cos t\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf g\ ''(t)=\cos t+\left(\cos t-t\sin t\right)=2\cos t-t\sin t\end{align*}}$
なので、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \{f\ (t)\}^2+\{g\ (t)\}^2=t\cos^2t+t^2\sin^2t=\underline{\ t^2}\end{align*}}$ ……サ
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \{f\ '(t)\}^2+\{g\ '(t)\}^2\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\left(\cos^2t-2t\sin t\cos t+t^2\sin^2t\right)+\left(\sin^2t-2t\sin t\cos t+t^2\cos^2t\right)\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\underline{\ 1+t^2}\end{align*}}$ ……シ
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \{f\ ''(t)\}^2+\{g\ ''(t)\}^2\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\left(4\sin^2t+4t\sin t\cos t+t^2\cos^2t\right)+\left(4\cos^2t-4t\sin t\cos t+t^2\sin^2t\right)\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\underline{\ 4+t^2}\end{align*}}$ ……ス
また、シの両辺をtで微分すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf 2f\ '(t)\ f\ ''(t)+2g\ '(t)\ g\ ''(t)=2t\end{align*}}$
となるので、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{f\ '(t)\ f\ ''(t)+g\ '(t)\ g\ ''(t)}{\sqrt{\{f\ '(t)\}^2+\{g\ '(t)\}^2}\sqrt{\{f\ ''(t)\}^2+\{g\ ''(t)\}^2}}=\frac{t}{\sqrt{1+t^2}\sqrt{4+t^2}}\end{align*}}$ ……①
であり、これが最大になるのは、t>0のときと考えられる。
よって、①はさらに
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{t}{\sqrt{t^4+4+5t^2}}=\frac{1}{\sqrt{t^2+\frac{4}{t^2}+5}}\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \leqq \frac{1}{\sqrt{2\sqrt{t^2\cdot\frac{4}{t^2}}+5}}\end{align*}}$ ←t2>0より相加・相乗
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\frac{1}{3}\end{align*}}$
となる。等号成立は、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf t^2=\frac{4}{t^2}\ \ \Leftrightarrow\ \ t^4=4\ \ \Leftrightarrow\ \ t=\sqrt2\ \ (>0)\end{align*}}$
なので、①は、t=$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \underline{\ \sqrt2}\end{align*}}$ のとき、最大値 $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \underline{\ \frac{1}{3}}\end{align*}}$ をとる。 ……セソ
(2)
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \int_0^{\pi/2}f\ (t)\ g\ '(t)\ dt+\int_0^{\pi/2}f\ '(t)\ g\ (t)\ dt\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\int_0^{\pi/2}\left\{f\ (t)\ g\ '(t)+f\ '(t)\ g\ (t)\right\}\ dt\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\int_0^{\pi/2}\left\{f\ (t)\ g\ (t)\right\}'\ dt\end{align*}}$ ←積の微分
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\bigg[f\ (t)\ g\ (t)\bigg]_0^{\pi/2}\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\bigg[t^2\sin t\cos t\bigg]_0^{\pi/2}\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\underline{\ 0}\end{align*}}$ ……タ
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \int_0^{\pi/2}f\ (t)\ g\ '(t)\ dt-\int_0^{\pi/2}f\ '(t)\ g\ (t)\ dt\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\int_0^{\pi/2}\left\{t\cos t\left( \sin t+t\cos t\right)-t\sin t\left(\cos t-t\sin t \right)\right\}\ dt\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\int_0^{\pi/2}\left( t^2\sin^2 t+t^2\cos^2 t\right)dt\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\int_0^{\pi/2}\ t^2\ dt\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\bigg[\frac{1}{3}t^3\bigg]_0^{\pi/2}\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf =\underline{\ \frac{\pi}{24}}\end{align*}}$ ……チ
(タ+チ)÷2より
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \int_0^{\pi/2}f\ (t)\ g\ '(t)\ dt=\underline{\ \frac{\pi}{48}}\end{align*}}$ ……ツ
まぁそのまま計算するだけなんですが、細かい部分でミスしないように!
テーマ:数学 - ジャンル:学問・文化・芸術
- 2018/12/04(火) 01:02:00|
- 大学入試(数学) .関西の私立大学 .立命館大 理系 2014(2/2)
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