解の配置

問題文

$a,b$ を実数とする．$1$ 以上の実数 $k$ に対し，$x,y$ についての連立方程式

$$
\begin{cases}
k\cos x + \dfrac{1}{k}\sin y = a\\[6pt]
k\sin x + \dfrac{1}{k}\cos y = b
\end{cases}\
$$

が $0\le x\le\pi,\ 0\le y\le\pi$ の範囲に解をもつような点 $(a,b)$ の存在する領域を $D_k$ とし，$ab$ 平面における $D_k$ の面積を $S(k)$ とする．

(1)　$D_1$ を $ab$ 平面上で求めよ．また，$S(1)$ を求めよ．

(2)　$\displaystyle \pi<\lim_{k\to\infty}S(k)<2\pi$ を示せ．

(3)　連立方程式の解がさらに $x=y$ を満たすような点 $(a,b)$ の存在する領域を $E_k$ とする． $k$ が $1$ 以上のすべての実数値をとるとき，$E_k$ が通りうる範囲を $ab$ 平面上で求めよ.

解答形式

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