東大理系数学
'08
年
前期
[6]
座標平面において、媒介変数
t
を用いて
(
)
と表される曲線が囲む領域の面積を求めよ。
解答
グラフを描け、という問題だとしても充分におもしろい関数ですが、ここでは、面積を問われているだけなので、微分して増減表を調べたりすると、大きく時間をロスするので注意してください。面積を求めるのに必要な情報を得ることを優先するべきです。
この問題の解答としては不必要ですが、一応、
増減
を確認しておきます。
(
微分の公式
を参照
)
t
0
π
0
−
0
+
0
−
0
+
0
x
1
1
1
(
積の微分法
を参照
)
とすると、
となりますが、
においては、
と、
,
を満たす
α
,
β
について、
,
の
3
解を持っています。
t
0
α
β
0
+
0
−
0
+
+
y
0
0
結局、増減を調べても、グラフは描けません。
凹凸
や、
,
のときの
y
座標など調べ出せば、どんどん時間をロスすることになります。
実は、グラフは右図のようになります。
では、どんどん、上下に葉が連なっていく感じになります。
ここでは、グラフを描くことなく考えることにします。まず、曲線が囲む領域について調べます。
・・・@
において、
です。
とすると、@においては、
このとき、
曲線は、
y
軸と、
4
点
,
,
,
で交わります。
とすると、@においては、
この
3
つの
t
の値に対して、いずれも、
とすると、@においては、
このとき、
とすると、@においては、
で、
これで、グラフは@の範囲において少なくとも
4
本に枝分かれして、
で
1
点に集まっていること、
x
軸とは
以外の交点を持たないこと、
と逆側の
,
において、
4
本のうちの
2
本ずつが
1
点に集まることがわかります。
@の範囲において、
は、
の範囲を
2
往復するので、グラフは
4
本に枝分かれします。
4
本の枝は、@の範囲を分けて、
・・・A
・・・B
・・・C
・・・D
の部分の
4
本に分かれますが、この
4
本が交差するかどうかを調べておきます。
同一の
x
座標における
y
の値を比較することになるので、
,
とし、A,B,C,Dにおける
y
座標を、
,
,
,
とします。
A,Bにおいて
より、
,
C,Dにおいて
より、
,
として、
はA,
はBを動き、
における
y
座標を比較すると、
∴
はC,
はDを動き、
における
y
座標を比較すると、
∴
従って、A,B,C,Dの
4
本は、
において交差せず、上から、
,
,
,
の順に並び、曲線が囲む部分は、
と
が囲む部分、
と
が囲む部分の
2
つあることがわかります。微分してグラフを描く、ということをせずとも、これで、面積を求めるのには充分です。
面積を求めるにあたって、
4
本の枝の各範囲A〜Dに両端を含めて考えることにします。
,
,
,
が、
において
x
軸と囲む面積を
,
,
,
とします。求める面積
S
は、
です。
では、
と置換することにより、
x
:
のとき、
t
:
より、
(
定積分と面積
、
置換積分
を参照
)
(
積和の公式を使用、
三角関数の諸公式
を参照
)
同じような積分が出てくるので、
(
C
:積分定数
)
(
部分積分法
を参照
)
とおくと、
(
定積分
を参照
)
では、
x
:
のとき、
t
:
より、
(
の中の
sin
の項はゼロとなり、
cos
のみ残ることに注意してください
)
,
では、それぞれ、
x
:
のとき、
t
:
,
t
:
ですが、
と同様に、
においても、
,
は消えて、
∴
......[
答
]
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