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京都大学/2014年度

京都大学 2014年 数学 第6問解答・解説

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1問題

京都大学2014年度第6問

双曲線 y = 1/x の第1象限にある部分と,原点 O を中心とする円の第1象限にある部分を,それぞれ C1, C2 とする。C1 と C2 は2つの異なる点 A, B で交わり,点 A における C1 の接線 l と線分 OA のなす角は π/6 であるとする。このとき,C1 と C2 で囲まれる図形の面積を求めよ。(35点)

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
  • S=2π/3−ln(2+√3).

3解答

解答を見る途中式つきの解答

双曲線上の点 AA の偏角を α\alpha (0<α<π2\displaystyle 0<\alpha<\frac\pi2) とする。A=(rcos⁡α,rsin⁡α)A=(r\cos\alpha,r\sin\alpha) で xy=1xy=1。接線の傾きは dydx=−1x2=−yx=−tan⁡α\displaystyle \frac{dy}{dx}=-\frac1{x^2}=-\frac yx=-\tan\alpha なので、接線と OAOA のなす小さい角は min⁡(2α,π−2α)\displaystyle \min(2\alpha,\pi-2\alpha)。これが π/6\pi/6 だから α=π/12\alpha=\pi/12 または 5π/125\pi/12。極座標で xy=r22sin⁡2α=1\displaystyle xy=\frac{r^2}{2}\sin2\alpha=1 より、どちらの場合も r2=2/sin⁡2α=4r^2=2/\sin2\alpha=4。従って円 C2C_2 は x2+y2=4x^2+y^2=4。

円と双曲線の交点の xx 座標は x2+1x2=4\displaystyle x^2+\frac1{x^2}=4 を満たす。x>0x>0 より x4−4x2+1=0x^4-4x^2+1=0 から x2=2±3x^2=2\pm\sqrt3。よって p=2−3,q=2+3(0<p<q, pq=1).p=\sqrt{2-\sqrt3},\qquad q=\sqrt{2+\sqrt3}\quad(0<p<q,\ pq=1). p≦x≦qp\le x\le q の範囲で F(x)=4−x2−1/xF(x)=\sqrt{4-x^2}-1/x は連続し、この方程式の解が示す通り端点以外に零点がない。F(1)=3−1>0F(1)=\sqrt3-1>0 なので円の上側の弧が双曲線の上にあり、求める面積はこの差の積分である。

S=∫pq4−x2 dx−ln⁡qp.\displaystyle S=\int_p^q\sqrt{4-x^2}\,dx-\ln\frac qp. p/2=sin⁡(π/12)p/2=\sin(\pi/12)、q/2=sin⁡(5π/12)q/2=\sin(5\pi/12) なので、円弧の積分で x=2sin⁡ux=2\sin u (π/12≦u≦5π/12\pi/12\leq u\leq5\pi/12) とおくと dx=2cos⁡u dudx=2\cos u\,du、4−x2=2cos⁡u\sqrt{4-x^2}=2\cos u。従って ∫pq4−x2 dx=∫π/125π/124cos⁡2u du=[2u+sin⁡2u]π/125π/12=2π3.\displaystyle \begin{aligned} \int_p^q\sqrt{4-x^2}\,dx &=\int_{\pi/12}^{5\pi/12}4\cos^2u\,du\\ &=[2u+\sin2u]_{\pi/12}^{5\pi/12}=\frac{2\pi}{3}. \end{aligned} さらに pq=1pq=1 より q/p=q2=2+3q/p=q^2=2+\sqrt3。よって S=2π3−ln⁡(2+3).\displaystyle S=\frac{2\pi}{3}-\ln(2+\sqrt3).

双曲線上の点 A の偏角を α\alpha (0<α<π/2) とする。A=(rcos⁡α,rsin⁡α)A=(r\cos\alpha,r\sin\alpha) で xy=1xy=1。接線の傾きは −1x2=−yx=−tan⁡α\displaystyle -\frac1{x^2}=-\frac yx=-\tan\alpha なので、接線と OA のなす小さい角は min⁡(2α,π−2α)\displaystyle \min(2\alpha,\pi-2\alpha)。これが π6\displaystyle \frac\pi6 だから α=π12\displaystyle \alpha=\frac\pi{12} または 5π12\displaystyle \frac{5\pi}{12}。極座標の積 xy=r22sin⁡2α=1\displaystyle xy=\frac{r^2}{2}\sin2\alpha=1 より r2=2sin⁡2α=4\displaystyle r^2=\frac2{\sin2\alpha}=4。従って円 C2C_2 は x2+y2=4x^2+y^2=4。

円と双曲線の交点のx座標は x2+1x2=4\displaystyle x^2+\frac1{x^2}=4 を満たす。x>0x>0より、x4−4x2+1=0x^4-4x^2+1=0 から x2=2±3x^2=2\pm\sqrt3。p=2−3,q=2+3p=\sqrt{2-\sqrt3},\quad q=\sqrt{2+\sqrt3} 0<p<q,pq=10<p<q,\quad pq=1 とする。p≦x≦qp\le x\le qの範囲で F(x)=4−x2−1x\displaystyle F(x)=\sqrt{4-x^2}-\frac1x は連続し、この方程式が示す通り端点以外に零点がない。F(1)=3−1>0F(1)=\sqrt3-1>0 なので円の上側の弧が双曲線の上にあり、求める面積はこの差の積分である。

面積は S=∫pq4−x2 dx−ln⁡qp\displaystyle S=\int_p^q\sqrt{4-x^2}\,dx-\ln\frac qp。p2=sin⁡π12\displaystyle \frac p2=\sin\frac\pi{12}, q2=sin⁡5π12\displaystyle \frac q2=\sin\frac{5\pi}{12} なので、円弧の積分で x=2sin⁡ux=2\sin u π12≦u≦5π12\displaystyle \frac\pi{12}\le u\le\frac{5\pi}{12} とおけば dx=2cos⁡u dudx=2\cos u\,du、4−x2=2cos⁡u\sqrt{4-x^2}=2\cos u。従って ∫pq4−x2 dx=∫π/125π/124cos⁡2u du=[2u+sin⁡2u]π/125π/12=2π3\displaystyle \int_p^q\sqrt{4-x^2}\,dx=\int_{\pi/12}^{5\pi/12}4\cos^2u\,du=[2u+\sin2u]_{\pi/12}^{5\pi/12}=\frac{2\pi}{3}。さらに pq=1pq=1 より qp=q2=2+3\displaystyle \frac qp=q^2=2+\sqrt3。よって S=2π3−ln⁡(2+3)\displaystyle S=\frac{2\pi}{3}-\ln(2+\sqrt3)。

この問題で使う考え方

  • 接線の傾き
  • 極座標の三角関係
  • 円と双曲線の交点
  • 定積分による面積

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