図形の長さや面積を θ で表して合成する最大(B)
★★★☆☆☆☆(共通テスト) / 作成者: shonan / 2026/10/24
🔁 類題: 図形の長さや面積を θ で表して合成する最大(A) (★★★☆☆☆☆(共通テスト))
問題
半径 1,中心角 $\dfrac{\pi}{3}$ のおうぎ形 OAB がある.弧 AB 上に点 P をとり,P から OA に下ろした垂線の足を S,P を通り OA に平行な直線と OB の交点を Q,Q から OA に下ろした垂線の足を R とする.$\angle\mathrm{AOP}=\theta\ \left(0<\theta<\dfrac{\pi}{3}\right)$ とするとき,長方形 PQRS の面積の最大値と,そのときの $\theta$ の値を求めよ.
O を原点,OA を $x$ 軸の正の部分にとると,P$(\cos\theta,\ \sin\theta)$ で,OB は直線 $y=\sqrt{3}x$(下図).
Q は OB 上で $y$ 座標が $\sin\theta$ の点であるから Q$\left(\dfrac{\sin\theta}{\sqrt{3}},\ \sin\theta\right)$.よって長方形の横の長さは $\cos\theta-\dfrac{\sin\theta}{\sqrt{3}}$,縦の長さは $\sin\theta$ で,長方形 PQRS の面積を $T$ とすると
\[ T=\sin\theta\cos\theta-\frac{\sin^2\theta}{\sqrt{3}}=\frac{1}{2}\sin 2\theta-\frac{1-\cos 2\theta}{2\sqrt{3}} \]
\[ =\frac{1}{\sqrt{3}}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\sin 2\theta+\frac{1}{2}\cos 2\theta\right)-\frac{1}{2\sqrt{3}}=\frac{1}{\sqrt{3}}\sin\left(2\theta+\frac{\pi}{6}\right)-\frac{1}{2\sqrt{3}} \]
$\dfrac{\pi}{6}<2\theta+\dfrac{\pi}{6}<\dfrac{5}{6}\pi$ であるから,$2\theta+\dfrac{\pi}{6}=\dfrac{\pi}{2}$ すなわち $\theta=\dfrac{\pi}{6}$ のとき最大で
\[ T=\frac{1}{\sqrt{3}}-\frac{1}{2\sqrt{3}}=\frac{1}{2\sqrt{3}}=\frac{\sqrt{3}}{6} \]
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