方針
辺長の二乗で を表し、内積0・内積同士の一致を直角・二等辺条件へ直す。面積は と比較する。
解答
(1)
3辺の長さを とおく。まず である。 は頂点 から見た と向きが反対であるが,内積が0であるかどうかには影響しない。したがって は, と が垂直であること,すなわち と同値である。同様にである。
よって なら, の少なくとも1つが0であるから, は直角三角形である。逆に直角三角形なら,直角の頂点に対応する内積が0になる。したがって答えは である。
(2)
辺の長さの2乗を とおく。三角形のベクトルは を満たすので,たとえば である。両辺の長さの2乗をとると となる。ここで だから である。同じようにして を得る。
この表示からである。したがって なら,少なくとも2つの辺の長さが等しい。よって は二等辺三角形である。逆に二等辺三角形なら対応する2つの辺の長さの2乗が等しく,上のいずれかの等式が成り立つ。したがって答えは である。正三角形も二等辺三角形に含まれる。
(3) とおく。このとき2辺 がつくる平行四辺形の面積の2乗は であるから,三角形の面積を とすると である。ここで , であり, である。
一方,(2) で得た を用いる。計算を見やすくするため とおくと である。したがってとなる。
また よりである。よって となるから である。面積は正なので が成り立つ。
別解
解法2
方針
、 と置き、3つの内積を だけで表す。差を取れば二等辺条件が直接現れ、 は面積公式の根号内と一致する。
解答
、 とし、とおく。、 だから(1) は 、すなわち を意味する。同様に、 は 、 は を意味する。よって の必要十分条件は、 が直角三角形であることである。
(2) (1)よりしたがって、いずれかの差が0であることは、 のうち2辺が等しいことと同値である。よって答えは正三角形を含む二等辺三角形である。
(3) (1)を展開すると一方、 のなす角を とし、面積を とするとゆえにである。
総評
難易度は7,計算量は5程度である。想定時間は20分から28分程度。(1) は内積の向きに惑わされず,0になる条件だけを角の直角条件に対応させる。(2) は辺の長さの2乗を置くと一気に整理できるが,どの等式がどの辺の等しさを表すかを取り違えやすい。(3) は面積の2乗で証明するのが採点上安全で,最後に面積が正であることを使って平方根を取る。別の方法として座標を置いて計算する方法もあるが,本質は同じ内積整理である。