ある学生の理系科目の勉強の部屋

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関西出身のとある理系大学生によるブログです。大学入試の解答を掲載したり、高校大学問わず理系についてのトピックを掲載しています。

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2018年度 関西大学 理系数学第3問

f:id:luv_zawazawa:20180305113240j:image

(1)

\displaystyle\frac{dx}{d\theta}=\sin{\theta}\cos{\theta}-(1-\cos{\theta})\sin{\theta}

=2\sin{\theta}\cos{\theta}-\sin{\theta}=\sin{2\theta}-\sin{\theta}

 

(2)

\displaystyle\frac{dy}{d\theta}=\sin^{2}{\theta}+(1-\cos{\theta})\cos{\theta}

=\sin^{2}{\theta}-\cos^{2}{\theta}+\cos{\theta}=-\cos{2\theta}+\cos{\theta}

=-2\cos^{2}{\theta}+\cos{\theta}+1=-(2\cos{\theta}+1)(\cos{\theta}-1)

\displaystyle\frac{dy}{d\theta}=0とすると、

(2\cos{\theta}+1)(\cos{\theta}-1)=0

\displaystyle\theta=\frac{2}{3}\pi,~\frac{4}{3}\pi

増減表は、以下の通りである。

\theta 0   \frac{2}{3}\pi   \frac{4}{3}\pi   2\pi
\frac{dy}{d\theta} × + 0 - 0 + ×
y × \nearrow 極大値 \searrow 極小値 \nearrow ×

 

したがって、

\displaystyle\theta=\frac{2}{3}\piのとき、極大値\displaystyle\left(1+\frac{1}{2}\right)\times\frac{\sqrt{3}}{2}=\frac{3\sqrt{3}}{4}

\displaystyle\theta=\frac{4}{3}\piのとき、極小値\displaystyle\left(1+\frac{1}{2}\right)\times\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right)=-\frac{3\sqrt{3}}{4}

 

(3) 曲線の長さ

\displaystyle dL=\sqrt{dx^{2}+dy^{2}}=\sqrt{\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^{2}+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^{2}}d\thetaより

\displaystyle L=\int_{0}^{2\pi}\sqrt{\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^{2}+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^{2}}d\theta

\displaystyle=\int_{0}^{2\pi}\sqrt{\left(\sin{2\theta}-\sin{\theta}\right)^{2}+\left(-\cos{2\theta}+\cos{\theta}\right)^{2}}d\theta

\displaystyle=\int_{0}^{2\pi}\sqrt{\sin^{2}{2\theta}+\cos^{2}{2\theta}+\sin^{2}{\theta}+\cos^{2}{\theta}-2\sin{2\theta}\sin{\theta}-2\cos{2\theta}\cos{\theta}}d\theta

\displaystyle=\int_{0}^{2\pi}\sqrt{2-2\left(\sin{2\theta}\sin{\theta}+\cos{2\theta}\cos{\theta}\right)}d\theta

\displaystyle=\int_{0}^{2\pi}\sqrt{2-2\cos{(2\theta-\theta)}}d\theta

\displaystyle=\sqrt{2}\int_{0}^{2\pi}\sqrt{1-\cos{\theta}}d\theta

\displaystyle=\sqrt{2}\int_{0}^{2\pi}\sqrt{2\sin^{2}\frac{\theta}{2}}d\theta

\displaystyle=2\int_{0}^{2\pi}\sin\frac{\theta}{2}d\theta

\displaystyle=2\left[-2\cos{\frac{\theta}{2}}\right]_{0}^{2\pi}

=-4(-1-1)=8