京都大学(理系) 2021年 問題4
$曲線 \ y=\log (1+\cos x)\ の \ \ 0 \leqq x \leqq \cfrac{\pi}{2}\ \ の部分の長さを求めよ。$
$(解説)$
$曲線の長さを求める積分公式をつかって、ひたすら積分するだけです。さほど難しい積分ではありません。$
$曲線の長さが普通の定積分で求まる関数はさほど多くありませんが、この問題の関数はその中の一つです。$
$\quad y=\log (1+\cos x) \quad より \quad y'=\cfrac{-\sin x}{1+\cos x}$
\begin{eqnarray*}
L
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\sqrt{1+y'^2}dx\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\sqrt{1+\big(\cfrac{-\sin x}{1+\cos x}\big)^2}dx\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\cfrac{\sqrt{(1+\cos x )^2+\sin ^2x}}{1+\cos x}dx\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\cfrac{\sqrt{2(1+\cos x )}}{1+\cos x}dx\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\cfrac{\sqrt{2}}{\sqrt{1+\cos x}}dx\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\cfrac{\sqrt{2}}{\sqrt{1+2\cos ^2\dfrac{x}{2}-1}}dx\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\cfrac{dx}{\cos \dfrac{x}{2}}\\
\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\cfrac{\cos \dfrac{x}{2}}{\cos ^2\dfrac{x}{2}}dx\\
\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{\pi}{2}}}\cfrac{\cos \dfrac{x}{2}}{1-\sin ^2\dfrac{x}{2}}dx\\
\end{eqnarray*}
\[
\sin \dfrac{x}{2}=t \quad とおくと \quad \cfrac{1}{2}\cos \cfrac{x}{2}dx=dt \hspace{3em}
\begin{array}{c|c}
x & 0\ \ \rightarrow \cfrac{\pi}{2} \\
\hline
t & \ 0 \rightarrow \cfrac{1}{\sqrt{2}} \\
\end{array}
\]
\begin{eqnarray*}
L
&=&\int _0^{\small{\cfrac{1}{\sqrt{2}}}}\cfrac{2}{1-t^2}dt\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{1}{\sqrt{2}}}}\cfrac{2}{(1+t)(1-t)}dt\\
&=&\int _0^{\small{\cfrac{1}{\sqrt{2}}}}\big(\cfrac{1}{1+t}+\cfrac{1}{1-t}\big)dt\\
&=&\Big[\log(1+t)-\log(1-t)\Big] _0^{\small{\cfrac{1}{\sqrt{2}}}}\\
\\
&=&\log \cfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1}\\
\\
&=&2\log(\sqrt{2}+1)\\
\end{eqnarray*}
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