新潟大学/2025年度/前期

6新潟大学 2025年 数学 第6問解答・解説

1問題

新潟大学2025年度第6問
座標平面上の曲線y=xsin⁡2xy=x\sin^{2}xをCCとする。自然数nnに対して、曲線CC上に点Pn(nπ,0),{P}_{n} (n \pi ,0),点Qn(2n−12π,2n−12π){Q}_{n}\left(\dfrac{2n-1}{2}\pi,\dfrac{2n-1}{2}\pi\right)をとる。次の問いに答えよ。

(1) 曲線CC上の点Pn{P}_{n}における接線の方程式を求めよ。また、曲線CC上の点Qn{Q}_{n}における接線の方程式を求めよ。

(2) 曲線CCと線分PnPn+1{P}_{n}{P}_{n+1}で囲まれる部分の面積Sn{S}_{n}をnnを用いて表せ。

(3) 曲線CCと線分QnQn+1{Q}_{n}{Q}_{n+1}で囲まれる部分の面積Tn{T}_{n}をnnを用いて表せ。

(4) Sn{S}_{n}とTn{T}_{n}は、(2)と(3)で求めたものとする。極限値

lim⁡k→∞∑n=1kSn∑n=1kTn\displaystyle\lim_{k\to\infty}\frac{{\sum }_{n=1}^{k}{S}_{n}}{{\sum }_{n=1}^{k}{T}_{n}}

を求めよ。

まずは自分で解いてみましょう。解けたら「答え」、詰まったら「解答」で確かめられます。

タイマー

15:00

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • (1)
    PnP_n での接線は y=0y=0、QnQ_n での接線は y=xy=x。
  • (2)
    Sn=(2n+1)π24S_n=\frac{(2n+1)\pi^2}4。
  • (3)
    Tn=nπ22T_n=\frac{n\pi^2}2。
  • (4)
    11。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

解答

(1)

f(x)=xsin⁡2xf(x)=x\sin^2x の導関数は f′(x)=sin⁡2x+xsin⁡2xf'(x)=\sin^2x+x\sin2x。
PnP_n では f=0f=0、f′=0f'=0 なので y=0y=0。
QnQ_n の xx 座標 a=(2n−1)π2a=\frac{(2n-1)\pi}2 では sin⁡2a=1\sin^2a=1、sin⁡2a=0\sin2a=0 なので、f(a)=af(a)=a、f′(a)=1f'(a)=1。
接線は y−a=x−ay-a=x-a、すなわち y=xy=x。

(2)

PnPn+1P_nP_{n+1} は xx 軸上にあり、この区間で xsin⁡2x≧0x\sin^2x\geqq0。
sin⁡2x=1−cos⁡2x2\sin^2x=\frac{1-\cos2x}2 を用いると、原始関数は x24−xsin⁡2x4−cos⁡2x8\frac{x^2}4-\frac{x\sin2x}4-\frac{\cos2x}8。
nπn\pi から (n+1)π(n+1)\pi で評価すると三角項の差が 00 になるので、Sn={(n+1)2−n2}π24=(2n+1)π24S_n=\frac{\{(n+1)^2-n^2\}\pi^2}4=\frac{(2n+1)\pi^2}4。

(3)

QnQn+1Q_nQ_{n+1} は y=xy=x 上にあり、区間内で x−xsin⁡2x=xcos⁡2x≧0x-x\sin^2x=x\cos^2x\geqq0。
原始関数は x24+xsin⁡2x4+cos⁡2x8\frac{x^2}4+\frac{x\sin2x}4+\frac{\cos2x}8。
端点 a=(n−12)πa=\left(n-\frac12\right)\pi、b=(n+12)πb=\left(n+\frac12\right)\pi では三角項が同じなので、Tn=b2−a24=nπ22T_n=\frac{b^2-a^2}4=\frac{n\pi^2}2。

(4)

∑n=1kSn=π24k(k+2)\sum_{n=1}^kS_n=\frac{\pi^2}4k(k+2)、∑n=1kTn=π24k(k+1)\sum_{n=1}^kT_n=\frac{\pi^2}4k(k+1)。
比は k+2k+1\frac{k+2}{k+1} で、k→∞k\to\infty の極限は 11。

読み終えたら解答を閉じて、もう一度自分の手で解いてみましょう。

答えと解答は AI で作成したものです。誤りに気づいたらお問い合わせから教えてください。

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