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広島大学/2020年度/前期

広島大学 2020年 数学 第4問解答・解説

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1問題

広島大学2020年度第4問

nn を正の整数とする。次の問いに答えよ。

(1) 定積分 ∫0πnsin⁡nx dx\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{n}}\sin nx\,dx の値を求めよ。

(2) 定積分 ∫0π∣sin⁡nx∣ dx\displaystyle \int_0^\pi|\sin nx|\,dx の値を求めよ。

(3) 座標平面において連立不等式 0≦x≦π,0≦y≦12,y≦∣sin⁡nx∣\displaystyle 0\leq x\leq\pi,\qquad 0\leq y\leq\frac{1}{2},\qquad y\leq|\sin nx| の表す図形を、xx 軸のまわりに1回転してできる回転体の体積を求めよ。

(4) 座標平面において連立不等式 0≦x≦π,0≦y≦x ∣sin⁡nx∣0\leq x\leq\pi,\qquad 0\leq y\leq\sqrt{x}\,|\sin nx| の表す図形を、xx 軸のまわりに1回転してできる回転体の体積を求めよ。

まずは自分で解いてみましょう。詰まったら「考え方」、解けたら「答え」で確かめられます。

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • (1) 2n\displaystyle \frac2n。 (2) 2。 (3) π23−3π4\displaystyle \frac{\pi^2}{3}-\frac{\sqrt3\pi}{4}。 (4) π34\displaystyle \frac{\pi^3}{4}。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

(1)∫0π/nsin⁡nx dx=[−cos⁡nxn]0π/n=1−cos⁡πn=2n.(2)∫0π∣sin⁡nx∣ dx=1n∫0nπ∣sin⁡t∣ dt=1n∑k=0n−12=2.∫kπ(k+1)π∣sin⁡t∣ dt=∫0πsin⁡t dt=2(0≦k≦n−1).(3)ymax⁡=min⁡(12,∣sin⁡nx∣),V=π∫0πymax⁡2 dx=πn∫0nπmin⁡(14,sin⁡2t) dt=π∫0πmin⁡(14,sin⁡2t) dt,sin⁡t=12すなわちt=π6,5π6(0≦t≦π),V=π(2∫0π/6sin⁡2t dt+14⋅2π3)=π(2(π12−38)+π6)=π23−3π4.(4)V=π∫0π(x∣sin⁡nx∣)2 dx=π∫0πxsin⁡2(nx) dx=π2(π22−∫0πxcos⁡2nx dx),∫0πxcos⁡2nx dx=[xsin⁡2nx2n+cos⁡2nx4n2]0π=0,したがってV=π34.\displaystyle \begin{aligned} (1)\quad &\int_0^{\pi/n}\sin nx\,dx=\left[-\frac{\cos nx}{n}\right]_0^{\pi/n}=\frac{1-\cos\pi}{n}=\frac{2}{n}.\\ (2)\quad &\int_0^\pi|\sin nx|\,dx=\frac{1}{n}\int_0^{n\pi}|\sin t|\,dt=\frac{1}{n}\sum\limits _{k=0}^{n-1}2=2. \\ &\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}|\sin t|\,dt=\int_0^\pi\sin t\,dt=2\quad(0\le k\le n-1).\\ (3)\quad &y_{\max}=\min\left(\frac{1}{2},|\sin nx|\right),\qquad V=\pi\int_0^\pi y_{\max}^2\,dx\\ &=\frac{\pi}{n}\int_0^{n\pi}\min\left(\frac{1}{4},\sin^2t\right)\,dt=\pi\int_0^\pi\min\left(\frac{1}{4},\sin^2t\right)\,dt,\\ &\sin t=\frac{1}{2}\quad\text{すなわち}\quad t=\frac{\pi}{6},\frac{5\pi}{6}\quad(0\le t\le\pi),\\ &V=\pi\left(2\int_0^{\pi/6}\sin^2t\,dt+\frac{1}{4}\cdot\frac{2\pi}{3}\right)\\ &=\pi\left(2\left(\frac{\pi}{12}-\frac{\sqrt{3}}{8}\right)+\frac{\pi}{6}\right)=\frac{\pi^2}{3}-\frac{\sqrt{3}\pi}{4}.\\ (4)\quad &V=\pi\int_0^\pi(\sqrt{x}|\sin nx|)^2\,dx=\pi\int_0^\pi x\sin^2(nx)\,dx\\ &=\frac{\pi}{2}\left(\frac{\pi^2}{2}-\int_0^\pi x\cos 2nx\,dx\right),\\ &\int_0^\pi x\cos 2nx\,dx=\left[\frac{x\sin 2nx}{2n}+\frac{\cos 2nx}{4n^2}\right]_0^\pi=0,\\ &\text{したがって}\quad V=\frac{\pi^3}{4}. \end{aligned}

この問題で使う考え方

  • 周期性
  • 置換積分
  • 部分積分

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