【解答・解説】東大理系数学2026 第1問

東大理系数学2026 第1問
  1. 関数 f(θ)=sin⁡θ−θ+θ36f(\theta) = \sin \theta - \theta + \dfrac{\theta^3}{6} の区間 −1≦θ≦1-1 \leqq \theta \leqq 1 における最大値 MM および最小値 mm を求めよ。
  2. (1) で定めた MM に対し,次の不等式を示せ。 78π≦∫02πsin⁡(cos⁡x−x)dx≦78π+4M \dfrac{7}{8} \pi \leqq \int_0^{2\pi} \sin (\cos x - x) dx \leqq \dfrac{7}{8} \pi + 4M

この記事では東大理系数学2026 第1問を解説します。少々トリッキーですが,今回のセットのなかでは簡単ですから,しっかりと解きたいところです。特に (1) は落とせません。

解答・解説

(1)

f′f' がどのようになるのか調べましょう。1回微分しただけでは正負が分かりにくいです。このようなときは,2回,3回と微分して増減や正負を調べましょう。

sin⁡\sin のマクローリン展開を知っている人なら当たり前のように思えるかもしれません。→ マクローリン展開

(1)

f′(θ)=cos⁡θ−1+θ22f′′(θ)=−sin⁡θ+θf′′′(θ)=−cos⁡θ+1\begin{aligned} f'(\theta) &= \cos \theta - 1 + \dfrac{\theta^2}{2}\\ f'' (\theta) &= - \sin \theta + \theta\\ f'''(\theta) &= - \cos \theta + 1 \end{aligned}

f′′′(θ)≧0f'''(\theta) \geqq 0 であるため,f′′(θ)f''(\theta) は単調増加である。 f′′(−1)=sin⁡1−1<0,f′′(0)=0,f′′(1)=−sin⁡1+1>0\begin{aligned} f''(-1) &= \sin 1 - 1 < 0 , \\ f''(0) &= 0 , \\ f''(1) &= -\sin 1 + 1 > 0 \end{aligned} より,f′(θ)f'(\theta) の増減表は次のようになる。

θ−1⋯0⋯1f′′(θ)−−0++f′(θ)↘↘↗↗ \begin{array}{c|ccccc} \theta & -1 & \cdots & 0 & \cdots & 1\\ f''(\theta) & - & - & 0 & + & +\\ f'(\theta) & \searrow & \searrow & & \nearrow & \nearrow \end{array}

ゆえに f′(θ)f'(\theta) は θ=0\theta = 0 で最小値をとる。計算すると f′(0)=1−1+0=0 f'(0) = 1-1+0 = 0 である。

よって,−1≦θ≦1-1 \leqq \theta \leqq 1 の範囲で f′(θ)≧0f'(\theta) \geqq 0 であるため,f(θ)f(\theta) はこの範囲で単調増加する。

つまり f(θ)f(\theta) は θ=−1\theta = -1 で最小値,θ=1\theta = 1 で最大値をとる。こうして M=sin⁡1−1+16=sin⁡1−56m=−sin⁡1+1−16=−sin⁡1+56\begin{aligned} M &= \sin 1 - 1 + \dfrac{1}{6} = \sin 1 - \dfrac{5}{6}\\ m &= - \sin 1 + 1 - \dfrac{1}{6} = - \sin 1 + \dfrac{5}{6} \end{aligned} である。

(2)

(1) を活用しましょう。まずそのままでは扱いにくいため加法定理でバラバラにするのがおすすめです。

−1≦cos⁡≦1-1 \leqq \cos \leqq 1 を (1) の −1≦θ≦1-1 \leqq \theta \leqq 1 に結び付けて計算をします。

(2)

I=∫02πsin⁡(cos⁡x−x)dx I = \int_0^{2\pi} \sin (\cos x - x) dx とおく。

加法定理により I=∫02πsin⁡(cos⁡x)cos⁡xdx−∫02πcos⁡(cos⁡x)sin⁡xdx I = \int_0^{2\pi} \sin (\cos x) \cos x dx - \int_0^{2\pi} \cos(\cos x) \sin x dx である。

∫02πcos⁡(cos⁡x)sin⁡xdx=−∫02πcos⁡(cos⁡x)(cos⁡x)′dx=−[sin⁡(cos⁡x)]02π=−sin⁡(cos⁡2π)+sin⁡(cos⁡0)=0\begin{aligned} &\int_0^{2\pi} \cos (\cos x) \sin x dx\\ &= -\int_0^{2\pi} \cos (\cos x) (\cos x)' dx\\ &= -\Big[ \sin (\cos x) \Big]_0^{2\pi}\\ &= -\sin (\cos 2\pi) + \sin (\cos 0)\\ &= 0 \end{aligned} であるため, I=∫02πsin⁡(cos⁡x)cos⁡xdx I = \int_0^{2\pi} \sin (\cos x) \cos x dx である。

g(θ)=sin⁡(cos⁡x)cos⁡xg(\theta) = \sin (\cos x) \cos x とおくと

g(x+π)=sin⁡(cos⁡(x+π))cos⁡(x+π)=sin⁡(−cos⁡x)×(−cos⁡x)=sin⁡(cos⁡x)cos⁡x\begin{aligned} g (x+\pi) &= \sin (\cos (x+\pi)) \cos (x+\pi)\\ &= \sin (-\cos x) \times (- \cos x)\\ &= \sin (\cos x) \cos x \end{aligned} であるため g(x)g(x) は,周期 π\pi である。また, cos⁡(π2−x)=sin⁡x=−cos⁡(π2+x) \cos \left( \dfrac{\pi}{2} - x \right) = \sin x = - \cos \left( \dfrac{\pi}{2} + x \right) であるため, g(π2−x)=g(π2+x) g \left( \dfrac{\pi}{2} - x \right) = g \left( \dfrac{\pi}{2} + x \right) である。

よって I=4∫0π2sin⁡(cos⁡x)cos⁡xdx I = 4 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin (\cos x) \cos x dx である。

0≦x≦π20 \leqq x \leqq \dfrac{\pi}{2} で 0≦cos⁡x≦10 \leqq \cos x \leqq 1 であるため,(1) より cos⁡x−cos⁡3xa6≦sin⁡(cos⁡x)≦cos⁡x−cos⁡3x6+M\begin{aligned} &\cos x - \dfrac{\cos^3 xa}{6} \\ &\leqq \sin (\cos x) \\ &\leqq \cos x - \dfrac{\cos^3 x}{6} + M \end{aligned} を得る。

よって, ∫0π2(cos⁡2x−cos⁡4x6)dx≦14I≦∫0π2(Mcos⁡x+cos⁡2x−cos⁡4x6)dx\begin{aligned} &\int_0^{\frac{\pi}{2}} \left( \cos^2 x - \dfrac{\cos^4 x}{6} \right) dx\\ &\leqq \dfrac{1}{4} I\\ &\leqq \int_0^{\frac{\pi}{2}} \left( M \cos x + \cos^2 x - \dfrac{\cos^4 x}{6} \right) dx \end{aligned} を得る。

∫0π2cos⁡2xdx=∫0π2cos⁡2x+12dx=[14sin⁡2x+x2]0π2=π4∫0π2cos⁡4xdx=∫0π2(cos⁡2x+12)2dx=∫0π2cos⁡22x+2cos⁡2x+14dx=∫0π2cos⁡4x+12+2cos⁡2x+14dx=[132sin⁡4x+14sin⁡2x+38x]0π2=316π\begin{aligned} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^2x dx &= \int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{\cos 2x + 1}{2} dx\\ &= \Big[ \dfrac{1}{4} \sin 2x + \dfrac{x}{2} \Big]_0^{\frac{\pi}{2}}\\ &= \dfrac{\pi}{4}\\ \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^4 x dx &= \int_0^{\frac{\pi}{2}} \left( \dfrac{\cos 2x+1}{2} \right)^2 dx\\ &= \int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{\cos^2 2x + 2 \cos 2x + 1}{4} dx\\ &= \int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{\frac{\cos 4x +1}{2} + 2 \cos 2x + 1}{4} dx\\ &= \Big[ \dfrac{1}{32} \sin 4x + \dfrac{1}{4} \sin 2x+ \dfrac{3}{8} x \Big]_0^{\frac{\pi}{2}}\\ &= \dfrac{3}{16} \pi \end{aligned} より ∫0π2(cos⁡2x−cos⁡4x6)dx=π4−16⋅316π=732π\begin{aligned} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \left( \cos^2 x - \dfrac{\cos^4 x}{6} \right) dx &= \dfrac{\pi}{4} - \dfrac{1}{6} \cdot \dfrac{3}{16} \pi\\ &= \dfrac{7}{32} \pi \end{aligned} である。

また ∫0π2Mcos⁡xdx=[Msin⁡x]0π2=M \int_0^{\frac{\pi}{2}} M \cos x dx = \Big[ M \sin x \Big]_0^{\frac{\pi}{2}} = M である。

よって, 78π≦I≦78π+4M \dfrac{7}{8} \pi \leqq I \leqq \dfrac{7}{8} \pi + 4M を得る。

sin⁡1\sin 1 という値が入試で出ることは珍しいですね。