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愛媛大学/2015年度/前期

愛媛大学 2015年 数学 第9問解答・解説

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1問題

愛媛大学2015年度第9問

(医学部) aa を正の実数とするとき,次の問いに答えよ。   (1) 1辺の長さが1,他の2辺のうち1辺の長さが aa である三角形のなかで,面積が最大である三角形の残りの1辺の長さを aa を用いて表せ。   (2) 2辺の長さが1,他の2辺のうち1辺の長さが aa である四角形のなかで,面積が最大である四角形の残りの1辺の長さを aa を用いて表せ。

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解答

解答を見る答えはこの解答の中にあります

(1) 2辺の長さを 1,a1,a(a>0a>0),その間の角を θ\theta とする。面積は S=a2sin⁡θ≦a2\displaystyle S=\frac{a}{2}\sin\theta\leq\frac{a}{2} であり,等号は θ=π/2\theta=\pi/2 のときに成り立つ。このとき余弦定理から,残りの辺の長さ cc は c2=1+a2−2acos⁡θ=1+a2,c=a2+1.c^2=1+a^2-2a\cos\theta=1+a^2, \qquad c=\sqrt{a^2+1}.

(2) 残りの辺を x>0x>0 とする。問題文は4辺の並び順を指定していないので,まず辺の順序を固定して考える。辺の長さを順に p,q,r,sp,q,r,s とし,対角線 AC=zAC=z で2つの三角形に分ける。ϕ=∠ABC\phi=\angle ABC,ψ=∠ADC\psi=\angle ADC とすると,2つの三角形の面積の和を K(z)K(z) と書ける。余弦定理より cos⁡ϕ=p2+q2−z22pq,cos⁡ψ=r2+s2−z22rs.\displaystyle \cos\phi=\frac{p^2+q^2-z^2}{2pq}, \qquad \cos\psi=\frac{r^2+s^2-z^2}{2rs}. zz が三角形の成立範囲を動くとき,ϕ,ψ\phi,\psi はともに増加し,その和は下端で π\pi 未満,上端で π\pi を超える。面積公式を zz で微分すると K′(z)=z2(cos⁡ϕsin⁡ϕ+cos⁡ψsin⁡ψ)=z2 sin⁡(ϕ+ψ)sin⁡ϕsin⁡ψ.\displaystyle K'(z)=\frac z2\left(\frac{\cos\phi}{\sin\phi}+\frac{\cos\psi}{\sin\psi}\right) =\frac z2\,\frac{\sin(\phi+\psi)}{\sin\phi\sin\psi}. したがって KK は ϕ+ψ<π\phi+\psi<\pi の間増加し,ϕ+ψ>π\phi+\psi>\pi で減少する。固定した辺の順序で面積が最大になるのは ϕ+ψ=π\phi+\psi=\pi のときであり,この形は2つの三角形を対角線の反対側に置いて実現できる。

このとき余弦定理を2つの三角形に用いると z2=p2+q2−2pqcos⁡ϕ=s2+r2+2rscos⁡ϕ,cos⁡ϕ=p2+q2−r2−s22(pq+rs).\displaystyle z^2=p^2+q^2-2pq\cos\phi =s^2+r^2+2rs\cos\phi, \quad \cos\phi=\frac{p^2+q^2-r^2-s^2}{2(pq+rs)}. また K=12(pq+rs)sin⁡ϕ,\displaystyle K=\frac12(pq+rs)\sin\phi, ゆえに,半周長 m=(p+q+r+s)/2m=(p+q+r+s)/2 を用いて K2=4(pq+rs)2−(p2+q2−r2−s2)216=((r+s)2−(p−q)2)((p+q)2−(r−s)2)16=(m−p)(m−q)(m−r)(m−s).\displaystyle K^2=\frac{4(pq+rs)^2-(p^2+q^2-r^2-s^2)^2}{16} =\frac{\bigl((r+s)^2-(p-q)^2\bigr)\bigl((p+q)^2-(r-s)^2\bigr)}{16} =(m-p)(m-q)(m-r)(m-s). 右辺は4辺の長さだけで決まり,並び順に依らない。よって,2辺が 11,他の1辺が aa,残りが xx の場合も,最大面積の2乗は K2=(a+x2)2(2+x−a2)(2+a−x2)=(a+x)2(4−(x−a)2)16.\displaystyle K^2=\left(\frac{a+x}{2}\right)^2 \left(\frac{2+x-a}{2}\right) \left(\frac{2+a-x}{2}\right) =\frac{(a+x)^2\bigl(4-(x-a)^2\bigr)}{16}. 四角形が退化せずに存在する条件は x>0x>0 かつ ∣x−a∣<2|x-a|<2 である。t=x−at=x-a とおくと K2=(2a+t)2(4−t2)16,d(K2)dt=2a+t4(2−at−t2).\displaystyle K^2=\frac{(2a+t)^2(4-t^2)}{16}, \qquad \frac{d(K^2)}{dt}=\frac{2a+t}{4}(2-at-t^2). ここで 2a+t=a+x>02a+t=a+x>0。方程式 2−at−t2=02-at-t^2=0 の解は t±=−a±a2+82.\displaystyle t_\pm=\frac{-a\pm\sqrt{a^2+8}}{2}. t−<−at_-<-a なので許される範囲に入らない。一方,t+>0t_+>0 であり,t+2+at+=2t_+^2+at_+=2 から t+<2<2t_+<\sqrt2<2 だから t+t_+ は許される。導関数は t+t_+ の前で正,後で負となるので,ここで面積は最大となる。したがって x=a+t+=a+a2+82.\displaystyle x=a+t_+=\boxed{\frac{a+\sqrt{a^2+8}}{2}}. この導出は4辺の順序を固定した場合に得る面積式が対称であることを示しているため,長さ1の2辺が隣り合うか向かい合うかのどちらでも同じ結論になる。

この問題で使う考え方

  • 三角形の面積公式
  • 余弦定理
  • 三角関数の加法定理
  • 微分法と増減・極値

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