2017年慶応大学経済学部|過去問徹底研究大問5

方針の立て方

全て基本問題であり，特筆事項なし．

解答例

(1)
$z\bar{z}=\left|z\right|^2=\left(a^x\mathrm{cos} {y}\right)^2+\left(a^x\mathrm{sin} {y}\right)^2=a^{2x}$
よって， $z\bar{z}$ の実部は $a^{2x}$ で，虚部は0……(答)
$z^2=\left\{a^x\mathrm{cos} {y}+\left(a^x\mathrm{sin} {y}\right)i\right\}^2=a^{2x}\left\{{\mathrm{cos}}^2y-{\mathrm{sin}}^2y+2i\mathrm{sin} {y}\mathrm{cos} {y}\right\}=a^{2x}\mathrm{cos} {2y}+ia^{2x}\mathrm{sin} {2y}$
よって， $z^2$ の実部は $a^{2x}\mathrm{cos} {2y}$ で，虚部は $a^{2x}\mathrm{sin} {2y}$ ……(答)

(2)
$x=0$ のとき， $z^2=\mathrm{cos} {2y}+i\mathrm{sin} {2y}$ ， $z=\cos{y}-i\sin{y}$ ．
$\therefore z^2+\bar{z}=0\Leftrightarrow\left(\mathrm{cos}{2y}+\mathrm{cos} {y}\right)+i\left(\mathrm{sin}{2y}-\mathrm{sin} {y}\right)=0$
$\therefore\begin{cases} \mathrm{cos}{2y}+\mathrm{cos} {y}=0 \\ \mathrm{sin}{2y}-\mathrm{sin} {y}=0 \end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases} 2{\mathrm{cos}}^2y+\mathrm{cos} {y}-1=0 \\ 2\mathrm{sin}{y}\mathrm{cos} {y}-\mathrm{sin} {y}=0 \end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases} \left(2\mathrm{cos}{y}-1\right)\left(\mathrm{cos}{y}+1\right) \\ \mathrm{sin}{y}\left(2\mathrm{cos}{y}-1\right)=0 \end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases} \mathrm{cos}{y}=-1,\frac{1}{2} \\ \mathrm{sin}{y}=0,\mathrm{cos} {y}=\frac{1}{2} \end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases} y=\frac{1}{3}\pi,\pi,\frac{5}{3}\pi \\ y=0,\frac{\pi}{3},\pi,\frac{5}{3}\pi \end{cases}\Leftrightarrow y=\frac{1}{3}\pi,\pi,\frac{5}{3}\pi$ ……(答)

(3)
$\bar{z}=a^x\mathrm{cos} {y}-ia^x\mathrm{sin} {y}$ より， $\bar{z}$ の実部は $a^x\mathrm{cos} {y}$ で，虚部は $-a^x\mathrm{sin} {y}$ である．
$\therefore a^x\mathrm{cos} {y}>-a^x\mathrm{sin} {y}\Leftrightarrow\mathrm{cos} {y}+\mathrm{sin} {y}>0\Leftrightarrow\sqrt2\sin{\left(y+\frac{\pi}{4}\right)}>0\Leftrightarrow0\leqq y<\frac{3}{4}\pi,\frac{7}{4}\pi<y<2\pi$
よって，求める範囲は
$x$ は全ての実数， $0\leqq y<\frac{3}{4}\pi,\frac{7}{4}\pi<y<2\pi$ ……(答)

(4)
真数条件より，
$\begin{cases} a^x\mathrm{cos} {y}>0 \\ a^x\mathrm{sin} {y}>0 \end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases} \mathrm{cos}{y}>0 \\ \mathrm{sin}{y}>0 \end{cases}\Leftrightarrow 0<y<\frac{1}{2}\pi$
$w$ の実部は $\log_a{\left(a^x\cos{y}\right)}=x+\log_a{\cos{y}}$ で，虚部は $\log_a{\left(a^x\sin{y}\right)}=x+\log_a{\sin{y}}$ であるから， $x+\log_a{\cos{y}}>x+\log_a{\sin{y}}\Leftrightarrow\log_a{\frac{\cos{y}}{\sin{y}}}>0$
$0<a<1$ より，
$0<\frac{\cos{y}}{\sin{y}}<1$
真数条件 $0<y<\frac{1}{2}\pi$ を考慮すれば， $0<\frac{\cos{y}}{\sin{y}}$ は必ず満たされ， $\frac{\cos{y}}{\sin{y}}<1\Leftrightarrow\cos{y}-\sin{y}<0\Leftrightarrow\sqrt2\sin{\left(y+\frac{3}{4}\pi\right)}<0\Leftrightarrow\frac{\pi}{4}<y<\frac{\pi}{2}$ となる．
よって，求める範囲は
$x$ は全ての実数， $\frac{1}{4}\pi<y<\frac{1}{2}\pi$ ……(答)