方針
任意の で成り立つ2つの内積条件を展開し、係数比較する。(2) は内積による角の公式、(3) は得られた行列を倍率2と回転角 に読む。
解答
(1) と置く。第1の条件を展開するとが任意の で成り立つのでさらにより である。したがって(2)だから(3)
2つの行列はそれぞれ、倍率2の拡大と角 の回転である。したがって像は半径2の円弧で、偏角の範囲はの2通りである。
別解
解法2
方針
標準ベクトル とその和だけを条件へ代入し、行列の列ベクトルを決める。像の長さが2倍、内積が元の長さの2乗という情報から回転角を読む。
解答
(1) とする。 を条件へ代入するとよって である。さらに
を第1の内積条件へ代入するとすなわち である。したがって(2)
条件そのものからしたがって角は である。
(3)
の像は なので偏角は 、長さは2である。したがって元の第4象限の単位円弧は、半径2で偏角の円弧へ移る。
総評
原問題が明示する行列と内積の問題である。目安時間は22分。任意のベクトルという条件を係数比較または標準ベクトルへの代入で使い切る。2つの行列、角 、2本の像円弧を照合した。