三角関数の最大値・最小値に関する問題

三角関数の最大値・最小値に関する問題

■問題

次の関数の最大値と最小値を求めよ.ただし, 0 ≦ θ ≦ 2 π とする.

y = sin 2 θ − 2 cos θ + 1

■解説動画

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■答

θ = π のとき,最大値  3

θ = 0 , 2 π のとき,最小値  − 1

■ヒント

公式 sin 2 θ + cos 2 θ = 1 を利用して, cos θ に統一する.

cos θ を t と置き換えて計算を行う.

2次関数の最大と最小(範囲指定あり)を参照する.

増減表を用いて解くこともできる.

■解説

sin 2 θ + cos 2 θ = 1 より

sin 2 θ = 1 − cos 2 θ ・・・・・・(1)

与式に(1)を代入すると

y = ( 1 − cos 2 θ ) − 2 cos θ + 1

y = − cos 2 θ − 2 cos θ + 2 ・・・・・・(2)

となる. cos θ = t とおいて,(2)に代入する.

y = − t 2 − 2 t + 2 ・・・・・・(3)

(3)の2次関数を平方完成する.

y = − ( t 2 + 2 t ) + 2

y = − ( t + 1 ) 2 + 3

t の範囲を求める.

0 ≦ θ ≦ 2 π

− 1 ≦ cos θ ≦ 1

− 1 ≦ t ≦ 1 ・・・・・・(4)

図より, y = − ( t + 1 ) 2 + 3 は

t = − 1 のとき最大値  3

t = 1 のとき最小値  − 1

をとる.

t に対応する θ を求める.

cos θ = − 1  ⇒  θ = π

cos θ = 1  ⇒  θ = 0 , 2 π

以上より, y = sin 2 θ − 2 cos θ + 1 は

θ = π のとき,最大値  3

θ = 0 , 2 π のとき,最小値  − 1

となる.

●増減表を用いる方法

y ′ =2sinθcosθ+2sinθ =2sinθ cosθ+1

y ′ =0 となるのは

sinθ=0 ,あるいは, cosθ+1=0 ⇒ cosθ=−1

よって

θ=0,π,2π

0<θ<π のとき  

sinθ>0 , cosθ+1>0

π<θ<2π のとき

sinθ<0 , cosθ+1>0

となる.したがって,増減表は 

x 0 ⋯ π ⋯ 2π
y ′ 0 + 0 − 0
y −1 ↗ 3 ↘ −1

となる. 

以上より, y = sin 2 θ − 2 cos θ + 1 は

θ = π のとき,最大値  3

θ = 0 , 2 π のとき,最小値  − 1

となる.

y = sin 2 θ − 2 cos θ + 1 s のグラフを以下に示す.

 

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最終更新日: 2025年4月18日