速度から位置と道のりを求める(数直線)(A)
★☆☆☆☆☆☆(教科書) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: 速度から位置と道のりを求める(数直線)(B) (★☆☆☆☆☆☆(教科書))
問題
数直線上を運動する点 P の時刻 $t$ における速度が $v(t)=\sin t-\dfrac{1}{2}$ で,時刻 $t=0$ のとき P は原点にある.
\begin{enumerate}
\item[(1)] 時刻 $t=\pi$ における P の位置を求めよ.
\item[(2)] $t=0$ から $t=\pi$ までに P が動く道のりを求めよ.
\end{enumerate}
(1) 時刻 $t$ における P の座標を $x(t)$ とすると
\[ x(\pi)=0+\int_0^{\pi}\left(\sin t-\frac{1}{2}\right)dt=\left[-\cos t-\frac{t}{2}\right]_0^{\pi}=\left(1-\frac{\pi}{2}\right)-(-1)=2-\frac{\pi}{2} \]
よって,時刻 $t=\pi$ における P の座標は $2-\dfrac{\pi}{2}$
(2) $v(t)=0$ となるのは $t=\dfrac{\pi}{6},\ \dfrac{5}{6}\pi$ で,$0<t<\dfrac{\pi}{6}$,$\dfrac{5}{6}\pi<t<\pi$ で $v<0$,$\dfrac{\pi}{6}<t<\dfrac{5}{6}\pi$ で $v>0$(下図).
\[ \int_0^{\frac{\pi}{6}}\left(\frac{1}{2}-\sin t\right)dt=\frac{\pi}{12}-\left(1-\frac{\sqrt{3}}{2}\right),\qquad \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5}{6}\pi}\left(\sin t-\frac{1}{2}\right)dt=\sqrt{3}-\frac{\pi}{3} \]
また,$v(\pi-t)=\sin(\pi-t)-\dfrac{1}{2}=v(t)$ であるから,$\displaystyle\int_{\frac{5}{6}\pi}^{\pi}\left(\frac{1}{2}-\sin t\right)dt$ は $\displaystyle\int_0^{\frac{\pi}{6}}\left(\frac{1}{2}-\sin t\right)dt$ に等しい.
よって,求める道のりは
\[ 2\left(\frac{\pi}{12}-1+\frac{\sqrt{3}}{2}\right)+\sqrt{3}-\frac{\pi}{3}=2\sqrt{3}-2-\frac{\pi}{6} \]
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