東工大数学'24年前期[2]

実数全体を定義域にもつ微分可能な関数,が次の6つの条件を満たしているとする。
,,
,,,
このとき、
,
とおく。
(1) を求めよ。
(2) は定数関数であることを示せ。
(3) を求めよ。
(4) となる正の実数Tに対して、媒介変数表示された平面曲線 ()の長さを求めよ。


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解答 東工大としては目新しいテーマの問題ですが、平易な内容で、この問題は落とせません。

問題文より、

 ・・・�@
 ・・・�A
 ・・・�B
 ・・・�C
 ・・・�D
 ・・・�E
 ・・・�F
 ・・・�G

(1) �Fを微分すると、�@,�Aを用いて、
......[答]
従っては定数関数で、�Fでとすると、�D,�Eより、
つまり、 ・・・�H

(2) �Gを微分すると、

 (∵ �A,�H)
よって、は定数関数です。

(3) (2)の結果を積分すると、
 (:定数)
�Gでとすると、�Eより、
 ∴ ,
 
(対数関数を参照)
 ∴  ・・・�I
......[答] ・・・�J
また、 ・・・�K
�Aより、であり、は
単調増加関数です。�J,�Kより、であり、�Iで得られたは、�Cを満たします。

(4) 媒介変数表示された平面曲線は、�Hよりを満たし、原点を中心とする半径1の 円 です。
のとき、�D,�Eより、です。この点をPとします。
のとき、より、です。このとき�Bより、
円上の点でを満たす点はであり、この点を
Qとします。�Iで得られたは、の範囲において連続な関数で、求める曲線の長さは、円弧の長さであり、半径1,より、 ......[答]



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