xy平面上の半円周 $C: x^2 + y^2 = 1, y \ge 0$上に2点$A(1,0), B(-1,0)$と2点$S(\cos\theta, \sin\theta), T(\cos t, \sin t) (0 < \theta < t < \pi)$がある。 (1) 点Tを固定し、点Sが弧AT上を動くとき、弦ASの長さと弦STの長さの和の最大値を$t$を用いて表せ。 (2) 2点S, Tが動くとき、3つの弦AS, ST, TBの長さの和Lの最大値と、それを与える$\theta$と$t$の値をそれぞれ求めよ。

幾何学三角関数最大値微分
2025/3/25

1. 問題の内容

xy平面上の半円周 C:x2+y2=1,y0C: x^2 + y^2 = 1, y \ge 0上に2点A(1,0),B(1,0)A(1,0), B(-1,0)と2点S(cosθ,sinθ),T(cost,sint)(0<θ<t<π)S(\cos\theta, \sin\theta), T(\cos t, \sin t) (0 < \theta < t < \pi)がある。
(1) 点Tを固定し、点Sが弧AT上を動くとき、弦ASの長さと弦STの長さの和の最大値をttを用いて表せ。
(2) 2点S, Tが動くとき、3つの弦AS, ST, TBの長さの和Lの最大値と、それを与えるθ\thetattの値をそれぞれ求めよ。

2. 解き方の手順

(1)
点Tを固定し、点Sが弧AT上を動くとき、AS + STの最大値を求める。
AS=(cosθ1)2+(sinθ0)2=cos2θ2cosθ+1+sin2θ=22cosθ=21cosθ=22sin2θ2=2sinθ2=2sinθ2AS = \sqrt{(\cos\theta - 1)^2 + (\sin\theta - 0)^2} = \sqrt{\cos^2\theta - 2\cos\theta + 1 + \sin^2\theta} = \sqrt{2 - 2\cos\theta} = \sqrt{2}\sqrt{1 - \cos\theta} = \sqrt{2}\sqrt{2\sin^2\frac{\theta}{2}} = 2|\sin\frac{\theta}{2}| = 2\sin\frac{\theta}{2} (0<θ<t<π0 < \theta < t < \piよりsin(θ/2)>0\sin(\theta/2) > 0)
ST=(costcosθ)2+(sintsinθ)2=cos2t2costcosθ+cos2θ+sin2t2sintsinθ+sin2θ=22(costcosθ+sintsinθ)=22cos(tθ)=21cos(tθ)=22sin2tθ2=2sintθ2=2sintθ2ST = \sqrt{(\cos t - \cos\theta)^2 + (\sin t - \sin\theta)^2} = \sqrt{\cos^2t - 2\cos t\cos\theta + \cos^2\theta + \sin^2t - 2\sin t\sin\theta + \sin^2\theta} = \sqrt{2 - 2(\cos t\cos\theta + \sin t\sin\theta)} = \sqrt{2 - 2\cos(t-\theta)} = \sqrt{2}\sqrt{1 - \cos(t-\theta)} = \sqrt{2}\sqrt{2\sin^2\frac{t-\theta}{2}} = 2|\sin\frac{t-\theta}{2}| = 2\sin\frac{t-\theta}{2} (0<θ<t<π0 < \theta < t < \piよりsin((tθ)/2)>0\sin((t-\theta)/2) > 0)
AS+ST=2sinθ2+2sintθ2AS + ST = 2\sin\frac{\theta}{2} + 2\sin\frac{t-\theta}{2}
AS+ST=2sinθ2+2sint2cosθ22cost2sinθ2=2(1cost2)sinθ2+2sint2cosθ2AS + ST = 2\sin\frac{\theta}{2} + 2\sin\frac{t}{2}\cos\frac{\theta}{2} - 2\cos\frac{t}{2}\sin\frac{\theta}{2} = 2(1-\cos\frac{t}{2})\sin\frac{\theta}{2} + 2\sin\frac{t}{2}\cos\frac{\theta}{2}
ddθ(AS+ST)=2(12)cosθ22(12)costθ2=cosθ2costθ2=0\frac{d}{d\theta}(AS + ST) = 2(\frac{1}{2})\cos\frac{\theta}{2} - 2(\frac{1}{2})\cos\frac{t-\theta}{2} = \cos\frac{\theta}{2} - \cos\frac{t-\theta}{2} = 0
cosθ2=costθ2\cos\frac{\theta}{2} = \cos\frac{t-\theta}{2}
θ2=tθ2\frac{\theta}{2} = \frac{t-\theta}{2}
θ=tθ\theta = t-\theta
2θ=t2\theta = t
θ=t2\theta = \frac{t}{2}
AS+ST=2sint4+2sintt22=2sint4+2sint4=4sint4AS + ST = 2\sin\frac{t}{4} + 2\sin\frac{t-\frac{t}{2}}{2} = 2\sin\frac{t}{4} + 2\sin\frac{t}{4} = 4\sin\frac{t}{4}
(2)
AS=2sinθ2AS = 2\sin\frac{\theta}{2}
ST=2sintθ2ST = 2\sin\frac{t-\theta}{2}
TB=(cost(1))2+(sint0)2=(cost+1)2+sin2t=cos2t+2cost+1+sin2t=2+2cost=21+cost=22cos2t2=2cost2=2cost2TB = \sqrt{(\cos t - (-1))^2 + (\sin t - 0)^2} = \sqrt{(\cos t + 1)^2 + \sin^2t} = \sqrt{\cos^2t + 2\cos t + 1 + \sin^2t} = \sqrt{2 + 2\cos t} = \sqrt{2}\sqrt{1 + \cos t} = \sqrt{2}\sqrt{2\cos^2\frac{t}{2}} = 2|\cos\frac{t}{2}| = 2\cos\frac{t}{2} (0<t<π0 < t < \piよりcos(t/2)>0\cos(t/2) > 0)
L=AS+ST+TB=2sinθ2+2sintθ2+2cost2L = AS + ST + TB = 2\sin\frac{\theta}{2} + 2\sin\frac{t-\theta}{2} + 2\cos\frac{t}{2}
L=2sinθ2+2sint2cosθ22cost2sinθ2+2cost2=2(1cost2)sinθ2+2sint2cosθ2+2cost2L = 2\sin\frac{\theta}{2} + 2\sin\frac{t}{2}\cos\frac{\theta}{2} - 2\cos\frac{t}{2}\sin\frac{\theta}{2} + 2\cos\frac{t}{2} = 2(1-\cos\frac{t}{2})\sin\frac{\theta}{2} + 2\sin\frac{t}{2}\cos\frac{\theta}{2} + 2\cos\frac{t}{2}
Lθ=2(12)(1cost2)cosθ22(12)sint2sinθ2=(1cost2)cosθ2sint2sinθ2=0\frac{\partial L}{\partial \theta} = 2(\frac{1}{2})(1-\cos\frac{t}{2})\cos\frac{\theta}{2} - 2(\frac{1}{2})\sin\frac{t}{2}\sin\frac{\theta}{2} = (1-\cos\frac{t}{2})\cos\frac{\theta}{2} - \sin\frac{t}{2}\sin\frac{\theta}{2} = 0
(1cost2)cosθ2=sint2sinθ2(1-\cos\frac{t}{2})\cos\frac{\theta}{2} = \sin\frac{t}{2}\sin\frac{\theta}{2}
tanθ2=1cost2sint2=2sin2t42sint4cost4=tant4\tan\frac{\theta}{2} = \frac{1-\cos\frac{t}{2}}{\sin\frac{t}{2}} = \frac{2\sin^2\frac{t}{4}}{2\sin\frac{t}{4}\cos\frac{t}{4}} = \tan\frac{t}{4}
θ2=t4\frac{\theta}{2} = \frac{t}{4}
θ=t2\theta = \frac{t}{2}
L=2sint4+2sintt22+2cost2=2sint4+2sint4+2cost2=4sint4+2cost2=4sint4+2(12sin2t4)=4sin2t4+4sint4+2L = 2\sin\frac{t}{4} + 2\sin\frac{t-\frac{t}{2}}{2} + 2\cos\frac{t}{2} = 2\sin\frac{t}{4} + 2\sin\frac{t}{4} + 2\cos\frac{t}{2} = 4\sin\frac{t}{4} + 2\cos\frac{t}{2} = 4\sin\frac{t}{4} + 2(1-2\sin^2\frac{t}{4}) = -4\sin^2\frac{t}{4} + 4\sin\frac{t}{4} + 2
x=sint4x = \sin\frac{t}{4}とおくと、L=4x2+4x+2=4(x2x)+2=4(x12)2+1+2=4(x12)2+3L = -4x^2 + 4x + 2 = -4(x^2 - x) + 2 = -4(x - \frac{1}{2})^2 + 1 + 2 = -4(x - \frac{1}{2})^2 + 3
x=12x = \frac{1}{2}のとき最大値3をとる。
sint4=12\sin\frac{t}{4} = \frac{1}{2}
t4=π6\frac{t}{4} = \frac{\pi}{6}
t=2π3t = \frac{2\pi}{3}
θ=t2=π3\theta = \frac{t}{2} = \frac{\pi}{3}

3. 最終的な答え

(1) 4sint44\sin\frac{t}{4}
(2) Lの最大値は3。そのときのθ=π3,t=2π3\theta = \frac{\pi}{3}, t = \frac{2\pi}{3}

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