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三重大学/2009年度

三重大学 2009年 数学 第3問解答・解説

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1問題

三重大学2009年度第3問

O, P, Q を、それぞれの座標が (0, 0), (cosθ, sinθ), (−1, 0) で与えられる平面上の点とする。また、0 ≦ θ < π として、点 P, Q を通る直線と、y軸との交点を R(0, t) とする。このとき以下の問に答えよ。

(1) ∠RQO を θ で表せ。また t を θ の関数として表せ。

(2) Q, R を通る直線の方程式を t を用いて表せ。この直線と、O を中心とする半径1の円との交点を t を用いて表せ。また cosθ, sinθ を t で表せ。

(3) θ を t の関数と見たとき、dθ/dt = (2)/(1 + t²) となることを示せ。

(4) 積分 ∫ 1/(1 + sinθ − cosθ) dθ(下端 π/3、上端 π/2)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解答

解答を見る答えはこの解答の中にあります

(1) slope⁡(QP)=sin⁡θ1+cos⁡θ=tan⁡θ2. Since QO is horizontal, ∠RQO=θ2,t=tan⁡θ2.(2) QR:y=tx+t. Substituting in x2+y2=1 gives (x+1)((1+t2)x+t2−1)=0. Hence Q=(−1,0), P=(1−t21+t2,2t1+t2). Therefore, cos⁡θ=1−t21+t2,sin⁡θ=2t1+t2.(3) t=tan⁡(θ/2) and dtdθ=12sec⁡2(θ/2)=1+t22, so dθdt=21+t2.(4) Put t=tan⁡(θ/2). Then 1+sin⁡θ−cos⁡θ=2t(t+1)1+t2,dθ=2 dt1+t2. The limits become 13 and 1.∫π/3π/2dθ1+sin⁡θ−cos⁡θ=∫1/31dtt(t+1)=[ln⁡tt+1]1/31=ln⁡3+12.\displaystyle \begin{aligned} &\text{(1) }\operatorname{slope}(QP)=\frac{\sin\theta}{1+\cos\theta}=\tan\frac{\theta}{2}.\text{ Since }QO\text{ is horizontal, }\angle RQO=\frac{\theta}{2},\quad t=\tan\frac{\theta}{2}.\\ &\text{(2) }QR:y=tx+t.\text{ Substituting in }x^2+y^2=1\text{ gives }(x+1)((1+t^2)x+t^2-1)=0.\text{ Hence }Q=(-1,0),\ P=\left(\frac{1-t^2}{1+t^2},\frac{2t}{1+t^2}\right).\text{ Therefore, }\quad \cos\theta=\frac{1-t^2}{1+t^2},\quad \sin\theta=\frac{2t}{1+t^2}.\\ &\text{(3) }t=\tan(\theta/2)\text{ and }\frac{dt}{d\theta}=\frac12\sec^2(\theta/2)=\frac{1+t^2}{2},\text{ so }\frac{d\theta}{dt}=\frac{2}{1+t^2}.\\ &\text{(4) Put }t=\tan(\theta/2).\text{ Then }1+\sin\theta-\cos\theta=\frac{2t(t+1)}{1+t^2},\quad d\theta=\frac{2\,dt}{1+t^2}.\text{ The limits become }\frac1{\sqrt3}\text{ and }1.\\ &\int_{\pi/3}^{\pi/2}\frac{d\theta}{1+\sin\theta-\cos\theta}=\int_{1/\sqrt3}^{1}\frac{dt}{t(t+1)}=\left[\ln\frac{t}{t+1}\right]_{1/\sqrt3}^{1}=\ln\frac{\sqrt3+1}{2}. \end{aligned}

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