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京都大学 2021年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第1問

次の各問に答えよ.

問1 10進法で表された数6.75を2進法で表せ.
また,この数と2進法で表された数101.0101との積として与えられる数を2進法および4進法で表せ.

問2 OABにおいてOA=3OB=2AOB=60とする.
OABの垂心をHとするとき,
OHOAOBを用いて表せ.

難易度4/ 10計算量4/ 10目安15

数と式ベクトル 式変形、内積の利用ベクトル成分計算

方針

問1は整数部と小数部を分けて2進法へ直し,積は分数で計算してから2進小数に戻す。4進法は2進法の2桁を1組にまとめればよい。問2は OH=sOA+tOB とおき,垂心の条件 AHOBBHOA を内積で表す。辺の長さと角から OAOB=3 を先に求め,2元連立一次方程式に落とす。

解答

問1

まず 6.75=6+34 である。整数部は 6=1102 であり,小数部は 34=12+14=0.112 である。したがって 6.75=110.112 である。

また 101.01012=4+1+14+116=8516 であるから,積は 6.75101.01012=2748516=229564 である。ここで 229564=35+5564 であり,35=1000112,5564=12+14+116+132+164=0.1101112である。よって積を2進法で表すと 100011.1101112 である。

4進法へは,2進法の小数点を基準に2桁ずつまとめればよい。すなわち 100011.1101112=100011.1101112=203.3134 である。

問2 OA=a,OB=b とおく。条件よりa=3,b=2,ab=32cos60=3である。

垂心を H とし,OH=sa+tb とおく。垂心の条件から AHOB,BHOA である。したがって(sa+tba)b=0,(sa+tbb)a=0である。

内積を計算すると 3(s1)+4t=0,9s+3(t1)=0 すなわち 3s+4t=3,9s+3t=3 である。これを解くと s=19,t=23 である。よってOH=19OA+23OBである。

別解

解法2(分数換算と直交座標で処理する)

方針

問1は2進小数を分母が2の累乗である分数へ直して積を計算し,最後に2進法・4進法へ戻す。問2は座標軸を辺 OA に合わせて垂線の交点を直接求め,得られた座標を OA,OB の係数へ戻す。

解答

問1

2進数 101.010124+1+14+116=8516であり,6.75=27/4 である。したがって積は2748516=229564=35+5564である。35=1000112,また5564=12+14+116+132+164=0.1101112だから,積は 100011.1101112 である。小数点を基準に2桁ずつまとめると10 00 11.11 01 112=203.3134となる。

問2

O=(0,0),A=(3,0) とし,OB=2,AOB=60 より B=(1,3) とおく。OA に垂直な B からの高さは x=1 である。A からの高さ上の点 (x,y)(x3,y)(1,3)=0を満たす。x=1 を代入すると y=2/3 なのでH=(1,23)である。OH=sOA+tOB とおけば(1,2/3)=s(3,0)+t(1,3)である。第2成分から t=2/3,第1成分から s=1/9 を得る。よってOH=19OA+23OBである。

総評

難度4、計算量4。想定時間は15分程度。問1は2進小数の桁管理が中心で,積をいったん分数で処理すると誤りにくい。4進法への変換では2進法の2桁を1組にするだけだが,小数点の左右を別々にまとめる点に注意する。問2は垂心を直接作図するのではなく,2本の垂線条件を内積で表すのが安定する。 位取りの答案では小数点を基準に2桁ずつ区切ること,垂心の答案では2本の直交条件を独立に使うことが検算点である。別解の座標設定でも係数は同じ 1/9,2/3 となる。

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出典: 京都大学 2021年度 前期日程 第2次学力試験 数学(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。