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東北大学 1984年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第3問

正の数αβmnが次の条件を満たしている.2α+β=π4,tanα=1m,tanβ=1n(1) mを用いてnを表せ.

(2) mnがともに整数であるとき,mnを求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安21

三角関数整数 式変形、文字消去、範囲評価、約数・倍数

方針

条件 2α+β=π/4 から β=π/42α とし、tan2αtan(π/42α) を加法定理で表す。(2) では β>0 から分母が正であることを確認し、n=1+4m/(m22m1) と変形して、正の整数候補を有限個に絞る。

解答

(1) tanα=1m であるからtan2α=2tanα1tan2α=2/m11/m2=2mm21である。
また β=π42α なのでtanβ=tan(π42α)=1tan2α1+tan2αである。これに上の式を代入してtanβ=12mm211+2mm21=m22m1m2+2m1となる。
一方、tanβ=1/n であるから 1n=m22m1m2+2m1 であり、n=m2+2m1m22m1 である。

(2) β>0 だから tanβ>0 である。したがって (1) の分母 m22m1 は正でなければならない。特に整数 m について m3 である。
また n=m2+2m1m22m1=1+4mm22m1 である。n が整数となるには、正の整数 m22m14m を割り切る必要がある。特に m22m14m である。すなわち m26m10 だから、m3 と合わせて m=3,4,5,6 だけを調べればよい。

実際に計算するとm3456m22m1271423n723/717/747/23である。したがって整数となるのは m=3,n=7 だけである。

加法定理で tanβm の有理式に直し、整数条件を調べる

別解

解法2

方針

(1) 加法定理から n の式を得る。(2) d=m22m1 とおくと、整数条件は d4m である。一方 d1(modm) なので dm は互いに素であり、d4 まで絞れる。

解答

(1) tan2α=2/m11/m2=2mm21.β=π/42α だから1n=tanβ=1tan2α1+tan2α=m22m1m2+2m1.よってn=m2+2m1m22m1.(2) β>0 より分母は正で、整数 m について m3 である。ここでd=m22m1とおくとn=1+4md.n が整数なら d4m である。一方d1(modm)だから dm は互いに素である。したがって d4 でなければならない。

d>0 なので d=1,2,4 のいずれかであり、(m1)2=d+2である。m が正の整数になるのは d=2m1=2 の場合だけである。よってm=3,n=1+432=7である。

総評

三角関数の加法定理と整数条件を組み合わせる問題。目安時間は21分。(1) は β=π/42α を作るのが自然である。(2) は β>0 から分母が正になることを先に確認し、n=1+4m/(m22m1) として割り切り条件へ落とす。候補を m=3,4,5,6 に絞る過程を書けば、整数解の確認が十分に説得的になる。 2つの解法と解説図を相互に照合し、境界値・必要十分性・符号も確認した。

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出典: 東北大学 1984年度 前期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。