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広島大学 2022年度 前期理系数学 第2問

aを正の実数,tを0<t<1を満たす実数とする.座標平面上の3点A(0,a),B(−1,0),C(1,0)を頂点とする二等辺三角形の内接円をSとし,その中心がI(0,t)であるとする.このとき,次の問いに答えよ.
(1) ∠IBCをθとおく.tとaを,それぞれθを用いて表せ.
(2) aをtを用いて表せ.
(3) △ABCの重心が内接円Sの周上にあるとき,tの値を求めよ.
(4) △ABCの垂心がSの周上にあるとき,tの値を求めよ.ただし,三角形の各頂点から対辺,またはその延長に下ろした3本の垂線は1点で交わることが知られており,その交わる点を三角形の垂心と呼ぶ.
(5) △ABCの外心がSの周上にあるとき,tのとり得る値をすべて求めよ.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安22分

三角関数、図形と方程式 三角比の利用、座標設定、円の性質、式変形

方針

対称性から内心,重心,垂心,外心はいずれもy軸上にある。まずtan⁡θ=tとa=tan⁡2θを得て,a=2t1−t2に直す。各中心のy座標が内接円の周上にある条件を解く。

解答

(1)
BCはx軸上にあり,BI→=(1,t)であるからtan⁡θ=tである。よってt=tan⁡θである。また,BIは∠ABCの二等分線であるから∠ABC=2θである。直線BAの傾きはaであるからa=tan⁡2θ=2tan⁡θ1−tan⁡2θである。

(2)
(1)よりt=tan⁡θであるからa=2t1−t2である。

(3)
重心は(0,a3)である。内接円Sの中心は(0,t),半径はtであるから,重心が周上にある条件は∣a3−t∣=tである。a>0よりa=6tとなる。これを(2)に代入すると2t1−t2=6tであり,t>0よりt=63である。

(4)
対称性より垂心はy軸上にある。直線ACの傾きは−aであるから,Bを通る高さは傾き1aの直線である。したがって垂心は(0,1a)である。これが内接円Sの周上にある条件は∣1a−t∣=tであり,1a>0より1a=2tである。よって(2)を用いて2t1−t2=12tとなり,t=55である。

(5)
外心を(0,u)とおく。AとBから等距離であるから(u−a)2=1+u2であり,u=a2−12aである。外心が内接円Sの周上にある条件は∣u−t∣=tであるから,u=0またはu=2tである。

u=0のとき,a=1である。(2)より2t1−t2=1となるのでt=2−1である。

u=2tのとき,(2)を用いて整理すると7t4−2t2−1=0である。t2について解くと,0<t<1よりt2=1+227である。したがってt=1+227である。以上より,求める値はt=2−1,t=1+227である。

別解

解法2(面積と半周長から内接円半径を出す方法)

方針

(1) は角の二等分線から三角比を読む。(2)は三角形の面積が
「内接円半径×半周長」であることを使い、三角関数の倍角公式を使わずに
a と t の関係を導く。その後、対称軸上にある重心・垂心・外心の
y 座標を内接円の上下端 0,2t と比較する。

解答

(1) BI→=(1,t) であり、BI は頂点 B の角の二等分線だからt=tan⁡θ,a=tan⁡2θ.(2)AB=AC=1+a2、BC=2 で、三角形の面積は a である。
「面積=内接円半径×半周長」よりa=t(1+1+a2)⟹(a−t)2=t2(1+a2)⟹a=2t1−t2.(3)
重心の y 座標は a/3、円の y 軸上の周上点は 0,2t だからa3=2t⟹2t1−t2=6t⟹t=63.(4)
垂心は (0,1/a) だから周上条件は 1/a=2t。よって2t1−t2=12t⟹t=55.(5)
外心 (0,u) について、OA=OB と周上条件からu=a2−12a,u=0 または u=2t.前者では a=1 より t=2−1。後者では7t4−2t2−1=0⟹t=1+227.したがってt=2−1,t=1+227.

総評

難度6,計算量6。想定時間は22分程度。二等辺三角形の対称性を使い,各中心をy軸上の点として処理できると見通しがよい。重心・垂心・外心でそれぞれ周上条件が絶対値になるため,正の条件を使って場合を落とすところが重要である。 広島大学公式の問題・出題意図と独立解答を照合し、結論・設問番号・論理の流れを再確認した。

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出典: 広島大学 2022年度 前期 共通数学 第2問(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。