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秋田大学/2017年度

秋田大学 2017年 数学 第2問解答・解説

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1問題

秋田大学2017年度第2問

xyxy 平面上に原点 O を中心とする単位円がある。単位円上に点 A をとり, 半径 OA が xx 軸の正の部分となす角を θ(0≦θ<2π)\theta (0 \leq \theta < 2\pi) とする。さらに単位円上に点 B, C を, 反時計回りに点 A, B, C の順に並ぶようにとる。∠ABC=π4\displaystyle \angle ABC = \frac{\pi}{4}, ∠ACB=π3\displaystyle \angle ACB = \frac{\pi}{3} とする。次の問いに答えよ。

(i) 点 A, B, C について, それぞれの座標を θ を用いて表せ。

(ii) 3点A, B, Cのx座標の和が0となるときのθに対し, tanθを求めよ。

(iii) 3 点 A, B, C の x 座標の和の平方と, 3 点 A, B, C の y 座標の和の平方との和を求めよ。

まずは自分で解いてみましょう。詰まったら「考え方」、解けたら「答え」で確かめられます。

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • (i)A=(cos⁡θ,sin⁡θ),B=(cos⁡(θ+2π3),sin⁡(θ+2π3)),C=(cos⁡(θ+3π2),sin⁡(θ+3π2))=(sin⁡θ,−cos⁡θ).(ii)tan⁡θ=−(2+3).(iii)(xA+xB+xC)2+(yA+yB+yC)2=2−3.\displaystyle \begin{aligned} \text{(i)}\quad&A=(\cos\theta,\sin\theta),\\ &B=(\cos(\theta+\frac{2\pi}{3}),\sin(\theta+\frac{2\pi}{3})),\\ &C=(\cos(\theta+\frac{3\pi}{2}),\sin(\theta+\frac{3\pi}{2}))=(\sin\theta,-\cos\theta).\\ \text{(ii)}\quad&\tan\theta=-(2+\sqrt3).\\ \text{(iii)}\quad&(x_A+x_B+x_C)^2+(y_A+y_B+y_C)^2=2-\sqrt3. \end{aligned}

3解答

解答を見る途中式つきの解答

円周上の反時計回りの隣接弧 AB,BC,CA の中心角をそれぞれ ϕAB\phi_{AB},ϕBC\phi_{BC},ϕCA\phi_{CA} とする。円周角の定理より ϕAB=2∠ACB=2π3,ϕCA=2∠ABC=π2.\displaystyle \phi_{AB}=2\angle ACB=\frac{2\pi}{3},\qquad \phi_{CA}=2\angle ABC=\frac{\pi}{2}. よって ϕBC\phi_{BC}=2π\pi-2π3\displaystyle \frac{2\pi}{3}-π2\displaystyle \frac{\pi}{2}=5π6\displaystyle \frac{5\pi}{6}。 したがって点の偏角は順に θ\theta,θ\theta+2π3\displaystyle \frac{2\pi}{3},θ\theta+3π2\displaystyle \frac{3\pi}{2} である。

(i) 単位円の偏角 φ\varphi に対応する点は (cos⁡\cosφ\varphi,sin⁡\sinφ\varphi) だから A=(cos⁡θ,sin⁡θ),B=(cos⁡(θ+2π3),sin⁡(θ+2π3)),C=(cos⁡(θ+3π2),sin⁡(θ+3π2))=(sin⁡θ,−cos⁡θ).\displaystyle A=(\cos\theta,\sin\theta),\quad B=\left(\cos\left(\theta+\frac{2\pi}{3}\right),\sin\left(\theta+\frac{2\pi}{3}\right)\right),\quad C=\left(\cos\left(\theta+\frac{3\pi}{2}\right),\sin\left(\theta+\frac{3\pi}{2}\right)\right) =(\sin\theta,-\cos\theta).

(ii) 加法定理を用いると xA+xB+xC=cos⁡θ+cos⁡(θ+2π3)+cos⁡(θ+3π2)=12(cos⁡θ+(2−3)sin⁡θ).\displaystyle x_A+x_B+x_C =\cos\theta+\cos\left(\theta+\frac{2\pi}{3}\right)+\cos\left(\theta+\frac{3\pi}{2}\right) =\frac12\left(\cos\theta+(2-\sqrt3)\sin\theta\right). これが 0 のとき cos⁡\cosθ\theta+(2-3\sqrt3)sin⁡\sinθ\theta=0。 cos⁡\cosθ\theta=0 なら左辺は (2-3\sqrt3)sin⁡\sinθ\theta≠\ne0 となるため cos⁡\cosθ\theta≠\ne0。 よって割り算でき、 tan⁡θ=−12−3=−(2+3).\displaystyle \tan\theta=-\frac1{2-\sqrt3}=-(2+\sqrt3).

(iii) 位置ベクトルを a\mathbf a=OA→\overrightarrow{OA},b\mathbf b=OB→\overrightarrow{OB},c\mathbf c=OC→\overrightarrow{OC} とおく。各ベクトルの大きさは 1 で、なす中心角から a⋅b=cos⁡2π3=−12,b⋅c=cos⁡5π6=−32,c⋅a=cos⁡π2=0.\displaystyle \mathbf a\cdot\mathbf b=\cos\frac{2\pi}{3}=-\frac12,\quad \mathbf b\cdot\mathbf c=\cos\frac{5\pi}{6}=-\frac{\sqrt3}{2},\quad \mathbf c\cdot\mathbf a=\cos\frac{\pi}{2}=0. したがって (xA+xB+xC)2+(yA+yB+yC)2=∣a+b+c∣2=∣a∣2+∣b∣2+∣c∣2+2(a⋅b+b⋅c+c⋅a)=3+2(−12−32+0)=2−3.\displaystyle \begin{aligned} (x_A+x_B+x_C)^2+(y_A+y_B+y_C)^2 &=|\mathbf a+\mathbf b+\mathbf c|^2\\ &=|\mathbf a|^2+|\mathbf b|^2+|\mathbf c|^2 +2(\mathbf a\cdot\mathbf b+\mathbf b\cdot\mathbf c+\mathbf c\cdot\mathbf a)\\ &=3+2\left(-\frac12-\frac{\sqrt3}{2}+0\right)=2-\sqrt3. \end{aligned}

この問題で使う考え方

  • 円の性質
  • 一般角と弧度法
  • 三角関数の加法定理
  • 三角関数の相互関係
  • 位置ベクトル
  • ベクトルの内積

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