問題
xy平面上の曲線Cを、媒介変数tを用いて次のように定める。
\(\small{ x=t+2\sin^2t、y=t+\sin t \quad(0<t<\pi)} \)
(1) 曲線Cに接する直線のうちy軸と平行なものはいくつあるか求めよ。
(2) 曲線Cのうち\( \small{y\leqq x }\)の領域にある部分と直線\(\small{ y=x} \)で囲まれた図形の面積を求めよ。
(1) y軸と平行なのでxの増減が変化するところである。
したがって\( \small{\dfrac{dx}{dt}=1+4\sin t\cos t=1+2\sin 2t} \)
\( \small{\dfrac{dx}{dt}=0} \)とおくと\( \small{1+2\sin2t=0\\2t=\dfrac{7\pi}{6}\ ,\dfrac{11\pi}{6}\\t=\dfrac{7\pi}{12}\ ,\dfrac{11\pi}{12}} \)

\( \small{t=\dfrac{7\pi}{12}} \)のとき
\( \small{x=t+2\sin^2 t=t+2\cdot\dfrac{1-\cos 2t}{2}\\=t+1-\cos 2t} \)
なので\( \small{x=\dfrac{7\pi}{12}+1+\dfrac{\sqrt3}{2}} \)
\( \small{t=\dfrac{11\pi}{12}} \)のとき
\( x=\dfrac{11\pi}{12}+1-\dfrac{\sqrt3}{2} \)

\( \small{\dfrac{dy}{dt}=1+\cos t}>0 \)
以上より2つ
(2) \( y\leqq x \)なので
\( t+\sin t\leqq t+2sin^2 t\\2\sin t(\sin t-\dfrac{1}{2})\geqq0\\t=0\ ,\ \dfrac{\pi}{6}\leqq t\leqq \dfrac{5\pi}{6} \)

\( S=\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+2\sin^2 t\ )(1+\cos t\ )dt-\dfrac{1}{2}\{(\dfrac{5\pi}{6}+\dfrac{1}{2})+(\dfrac{\pi}6{}+\dfrac{1}{2})\}\{(\dfrac{5\pi}6{}+\dfrac{1}{2})-(\dfrac{\pi}6{}+\dfrac{1}{2})\} \\=\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+2\sin^2 t\ )(1+\cos t\ )dt-\dfrac{1}{2}\{\pi+1\}\dfrac{2\pi}{3}\\=\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+2\sin^2 t\ )(1+\cos t\ )dt-\dfrac{\pi}{3}(\pi+1)\)
ここで
\( \displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+2\sin^2 t\ )(1+\cos t\ )dt\\=\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+t\cos t\ +2\sin^2 t\ +2\sin^2 t\ \cos t)dt\\=\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+2\sin^2 t\ +2\sin^2 t\ \cos t)dt+\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t\cos t\ )dt\\=\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+2\dfrac{1-\cos 2t}{2}\ +2\sin^2 t\ \cos t)dt+\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t\cos t\ )dt\\=\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+1-\cos 2t\ +2\sin^2 t\ \cos t)dt+\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t\cos t\ )dt \)
\( \displaystyle\bigl[\dfrac{t^2}{2}+t-\dfrac{\sin 2t}{2}\ +\dfrac{2\sin^3 t}{3}\bigr]_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}+\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t\cos t\ )dt \)
\( =\dfrac{1}{2}(\dfrac{25}{36}-\dfrac{1}{36})\pi^2+\dfrac{5\pi}{6}-\dfrac{\pi}{6}-\dfrac{1}{2}(\sin{\dfrac{5\pi}{3}}-\sin{\dfrac{\pi}{3}})+\dfrac{2}{3}(\sin^3{\dfrac{5\pi}{6}-\sin^3{\dfrac{\pi}{6}}})+\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t\cos t\ )dt \\=\dfrac{\pi^2}{3}+\dfrac{2\pi}{3}+\dfrac{\sqrt3}{2}+\displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t\cos t\ )dt\)
さらに
\( \displaystyle \int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t\cos t\ )dt\\=\bigl[t\sin t\bigr]_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}\ -\displaystyle \int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(\sin t\ )dt\\=\dfrac{5\pi-\pi}{12}+\bigl[cost\bigr]_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}\\=\dfrac{\pi}{3}-\sqrt3 \)
なので
\( \displaystyle\int_{\dfrac{\pi}{6}}^{\dfrac{5\pi}{6}}(t+2\sin^2 t\ )(1+\cos t\ )dt-\dfrac{\pi}{3}(\pi+1)\\=\dfrac{\pi^2}{3}+\dfrac{2\pi}{3}+\dfrac{\sqrt3}{2}+\dfrac{\pi}{3}-\sqrt3-\dfrac{\pi}{3}(\pi+1) \\=\dfrac{2\pi}{3}-\dfrac{\sqrt3}{2}\)
となります。
考え方は普通ですが計算ミスのないように注意しましょう。
(大分理系専門塾WINROAD 首藤)