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札幌医科大学/2019年度/前期

札幌医科大学 2019年 数学 第4問解答・解説

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1問題

札幌医科大学2019年度第4問

定数 a>0a>0 に対して、次の媒介変数表示された座標平面上の曲線を CC とする。 x=a(θ−sin⁡θ),y=a(1−cos⁡θ)(0≦θ≦2π)x=a(\theta-\sin\theta),\qquad y=a(1-\cos\theta)\quad(0\leq\theta\leq2\pi)   (1) 曲線 CC の長さを aa を用いて表せ。

CC 上の点 A(a(θ−sin⁡θ),a(1−cos⁡θ))A(a(\theta-\sin\theta),a(1-\cos\theta)) において、0<θ<2π0<\theta<2\pi では法線上に点 BB を線分 ABAB の長さが1で、BB の yy 座標が AA の yy 座標より大きくなるようにとり、AA の座標が (0,0)(0,0)、(2πa,0)(2\pi a,0) のときの BB はそれぞれ (−1,0)(-1,0)、(2πa+1,0)(2\pi a+1,0) とする。

(2) 点 BB の座標を aa と θ\theta を用いて表せ。   (3) 点 AA が曲線 CC 上を θ=0\theta=0 から θ=2π\theta=2\pi まで動いたときの点 BB の軌跡を C1C_1 とするとき、曲線 C1C_1 の長さを aa を用いて表せ。

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

曲線CCを(x(θ),y(θ))(x(\theta),y(\theta))とおくと、x′(θ)=a(1−cos⁡θ),y′(θ)=asin⁡θ.x'(\theta)=a(1-\cos\theta),\qquad y'(\theta)=a\sin\theta.したがって、0≦θ≦2π0\leq\theta\leq2\piでsin⁡(θ/2)≧0\sin(\theta/2)\geq0であることから、弧長の被積分関数はx′(θ)2+y′(θ)2=a(1−cos⁡θ)2+sin⁡2θ=2asin⁡θ2.\displaystyle \sqrt{x'(\theta)^2+y'(\theta)^2}=a\sqrt{(1-\cos\theta)^2+\sin^2\theta}=2a\sin\frac{\theta}{2}.よって、(1)∫02π2asin⁡θ2 dθ=8a.\displaystyle \text{(1)}\quad \int_0^{2\pi}2a\sin\frac{\theta}{2}\,d\theta=8a.

次に0<θ<2π0<\theta<2\piではsin⁡(θ/2)>0\sin(\theta/2)>0なので、(x′(θ),y′(θ))=2asin⁡θ2(sin⁡θ2,cos⁡θ2).\displaystyle (x'(\theta),y'(\theta))=2a\sin\frac{\theta}{2}\left(\sin\frac{\theta}{2},\cos\frac{\theta}{2}\right).したがって単位接線ベクトルは(sin⁡θ2,cos⁡θ2)\displaystyle \left(\sin\frac{\theta}{2},\cos\frac{\theta}{2}\right)であり、これに垂直な単位ベクトルのうちyy成分が正のものは(−cos⁡θ2,sin⁡θ2)\displaystyle \left(-\cos\frac{\theta}{2},\sin\frac{\theta}{2}\right)である。AB=1AB=1より、B=A+(−cos⁡θ2,sin⁡θ2),\displaystyle B=A+\left(-\cos\frac{\theta}{2},\sin\frac{\theta}{2}\right),ゆえに(2)B=(a(θ−sin⁡θ)−cos⁡θ2, a(1−cos⁡θ)+sin⁡θ2).\displaystyle \text{(2)}\quad B=\left(a(\theta-\sin\theta)-\cos\frac{\theta}{2},\ a(1-\cos\theta)+\sin\frac{\theta}{2}\right).この式はθ=0,2π\theta=0,2\piでもそれぞれ(−1,0)(-1,0)、(2πa+1,0)(2\pi a+1,0)となり、問題文の端点での定め方と一致する。

最後に、BBの座標を(X(θ),Y(θ))(X(\theta),Y(\theta))とすると、X′(θ)=2asin⁡2θ2+12sin⁡θ2=(2asin⁡θ2+12)sin⁡θ2,\displaystyle X'(\theta)=2a\sin^2\frac{\theta}{2}+\frac12\sin\frac{\theta}{2}=\left(2a\sin\frac{\theta}{2}+\frac12\right)\sin\frac{\theta}{2},Y′(θ)=2asin⁡θ2cos⁡θ2+12cos⁡θ2=(2asin⁡θ2+12)cos⁡θ2.\displaystyle Y'(\theta)=2a\sin\frac{\theta}{2}\cos\frac{\theta}{2}+\frac12\cos\frac{\theta}{2}=\left(2a\sin\frac{\theta}{2}+\frac12\right)\cos\frac{\theta}{2}.ここでa>0a>0、sin⁡(θ/2)≧0\sin(\theta/2)\geq0より、括弧内は正である。したがってX′(θ)2+Y′(θ)2=2asin⁡θ2+12.\displaystyle \sqrt{X'(\theta)^2+Y'(\theta)^2}=2a\sin\frac{\theta}{2}+\frac12.よって、(3)∫02π(2asin⁡θ2+12)dθ=8a+π.\displaystyle \text{(3)}\quad \int_0^{2\pi}\left(2a\sin\frac{\theta}{2}+\frac12\right)d\theta=8a+\pi.

この問題で使う考え方

  • 媒介変数
  • 単位法線
  • 弧長

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