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北里大学/2019年度/一般

北里大学 2019年 数学 第3問解答・解説

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1問題

北里大学2019年度第3問

OO を原点とする座標平面上の点 AA は xx 軸上にあり, xx 座標が0以上2以下の範囲を動く。また, 点 BB は AB=OB=1AB=OB=1 を満たしながら動く点で, その yy 座標は0以上とする。さらに, xx 軸の正の部分と線分 OBOB のなす角を θ\theta とし, 線分 ABAB 上にあり OA=2BPOA=2BP を満たす点を PP とする。ただし, 点 AA が原点 OO と一致するとき, 点 BB, 点 PP の座標はともに (0,1)(0,1) であるとする。

(1) 点 AA および点 PP の xx 座標と yy 座標を, それぞれ θ\theta を用いて表せ。

(2) 点 PP が描く曲線の長さを求めよ。

(3) 点 PP が描く曲線, xx 軸および yy 軸で囲まれた部分の面積を求めよ。

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

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  • (1) A=(2cos⁡θ,0)\quad A=(2\cos\theta,0)\quad 、P=(cos⁡θ+cos⁡2θ,(1−cos⁡θ)sin⁡θ)\quad P=(\cos\theta+\cos^2\theta,(1-\cos\theta)\sin\theta)\quad 、0≦θ≦π2\displaystyle \quad 0\leq\theta\leq\frac\pi2\quad 。
    (2) 曲線の長さ 4+223\displaystyle \quad \frac{4+2\sqrt2}{3}\quad 。
    (3) 面積 π8+13\displaystyle \quad \frac\pi8+\frac13\quad 。

    使用解法:三角関数による距離条件、線分の内分表示、媒介変数表示の曲線長、定積分による面積。
    issues:なし。

3解答

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A答案 Q3 — 北里大学 2019

(1) 点 A,PA,P の座標

B=(cos⁡θ,sin⁡θ)B=(\cos\theta,\sin\theta) とおき、A=(a,0)A=(a,0)(0≦a≦20\leq a\leq2)とする。条件 AB=OB=1AB=OB=1 から (a−cos⁡θ)2+sin⁡2θ=1よりa2−2acos⁡θ=0.(a-\cos\theta)^2+\sin^2\theta=1 \quad\text{より}\quad a^2-2a\cos\theta=0. a>0a>0 なら a=2cos⁡θa=2\cos\theta。また yB≧0y_B\geq0 と a>0a>0 より 0≦θ<π2\displaystyle 0\leq\theta<\frac\pi2。特別に指定された a=0a=0 の場合は θ=π2\displaystyle \theta=\frac\pi2、B=P=(0,1)B=P=(0,1) である。従って全体の範囲は 0≦θ≦π2\displaystyle 0\leq\theta\leq\frac\pi2 で、 A=(2cos⁡θ,0).\boxed{A=(2\cos\theta,0)}.

AB=1AB=1、BP=OA/2=a/2=cos⁡θBP=OA/2=a/2=\cos\theta だから、PP は BB から AA へ線分の割合 cos⁡θ\cos\theta だけ進んだ点: P=B+cos⁡θ(A−B).P=B+\cos\theta(A-B). 従って P=(cos⁡θ+cos⁡2θ, (1−cos⁡θ)sin⁡θ).\boxed{P=(\cos\theta+\cos^2\theta,\ (1-\cos\theta)\sin\theta)}. この式は指定された端点 θ=π2\displaystyle \theta=\frac\pi2 にも P=(0,1)P=(0,1) を与える。

(2) 曲線の長さ

x(θ)=cos⁡θ+cos⁡2θ,y(θ)=(1−cos⁡θ)sin⁡θ.x(\theta)=\cos\theta+\cos^2\theta,\qquad y(\theta)=(1-\cos\theta)\sin\theta. 微分すると x′(θ)=−sin⁡θ(1+2cos⁡θ),y′(θ)=(1−cos⁡θ)(1+2cos⁡θ).x'(\theta)=-\sin\theta(1+2\cos\theta),\qquad y'(\theta)=(1-\cos\theta)(1+2\cos\theta). 0≦θ≦π2\displaystyle 0\leq\theta\leq\frac\pi2 で速度は (x′)2+(y′)2=(1+2cos⁡θ)sin⁡2θ+(1−cos⁡θ)2=2(1+2cos⁡θ)sin⁡θ2.\displaystyle \begin{aligned} \sqrt{(x')^2+(y')^2} &=(1+2\cos\theta)\sqrt{\sin^2\theta+(1-\cos\theta)^2}\\ &=2(1+2\cos\theta)\sin\frac\theta2. \end{aligned} よって u=θ/2u=\theta/2 と置換して L=4∫0π/4sin⁡u(1+2cos⁡2u) du=4∫0π/4(3sin⁡u−4sin⁡3u) du=4[cos⁡u−43cos⁡3u]0π/4=4+223.\displaystyle \begin{aligned} L &=4\int_0^{\pi/4}\sin u(1+2\cos2u)\,du\\ &=4\int_0^{\pi/4}(3\sin u-4\sin^3u)\,du\\ &=4\left[\cos u-\frac43\cos^3u\right]_0^{\pi/4} =\boxed{\frac{4+2\sqrt2}{3}}. \end{aligned}

(3) 囲まれた部分の面積

θ\theta が π2\displaystyle \frac\pi2 から0へ動くと、曲線は yy 軸上の (0,1)(0,1) から xx 軸上の (2,0)(2,0) へ進む。従って囲まれた面積は ∫y dx\displaystyle \int y\,dx であり、 S=∫0π/2y(θ)(−x′(θ)) dθ=∫0π/2sin⁡2θ(1−cos⁡θ)(1+2cos⁡θ) dθ.\displaystyle S=\int_0^{\pi/2}y(\theta)(-x'(\theta))\,d\theta =\int_0^{\pi/2}\sin^2\theta(1-\cos\theta)(1+2\cos\theta)\,d\theta. 被積分関数を展開すると sin⁡2θ(1−cos⁡θ)(1+2cos⁡θ)=1+cos⁡θ−3cos⁡2θ−cos⁡3θ+2cos⁡4θ.\sin^2\theta(1-\cos\theta)(1+2\cos\theta) =1+\cos\theta-3\cos^2\theta-\cos^3\theta+2\cos^4\theta. ∫0π/2cos⁡θ dθ=1,∫0π/2cos⁡2θ dθ=π4,∫0π/2cos⁡3θ dθ=23,∫0π/2cos⁡4θ dθ=3π16\displaystyle \int_0^{\pi/2}\cos\theta\,d\theta=1,\quad \int_0^{\pi/2}\cos^2\theta\,d\theta=\frac\pi4,\quad \int_0^{\pi/2}\cos^3\theta\,d\theta=\frac23,\quad \int_0^{\pi/2}\cos^4\theta\,d\theta=\frac{3\pi}{16} を用いると S=π2+1−3π4−23+3π8=π8+13.\displaystyle S=\frac\pi2+1-\frac{3\pi}{4}-\frac23+\frac{3\pi}{8} =\boxed{\frac\pi8+\frac13}.

最終答案

(1) A=(2cos⁡θ,0)A=(2\cos\theta,0)、P=(cos⁡θ+cos⁡2θ,(1−cos⁡θ)sin⁡θ)P=(\cos\theta+\cos^2\theta,(1-\cos\theta)\sin\theta)、0≦θ≦π2\displaystyle 0\leq\theta\leq\frac\pi2。 (2) 曲線の長さ 4+223\displaystyle \frac{4+2\sqrt2}{3}。 (3) 面積 π8+13\displaystyle \frac\pi8+\frac13。

使用解法:三角関数による距離条件、線分の内分表示、媒介変数表示の曲線長、定積分による面積。 issues:なし。

この問題で使う考え方

  • 座標による距離
  • 内分・外分点
  • 曲線の媒介変数表示
  • 三角関数の微分
  • 曲線の長さ
  • 半角の公式
  • 置換積分法
  • 三角・指数・対数関数等の積分

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