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東北大学 1985年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第1問

三角形ABCにおいて,
CAAB=a
ABBC=b
BCCA=cとおく.
ここではベクトルの内積を表す.
このとき,次の問に答えよ.

(1) abc=0のとき,ABCはどのような三角形となるか.

(2) (ab)(bc)(ca)=0のとき,ABCはどのような三角形となるか.

(3) ABCの面積は12ab+bc+caであることを証明せよ.

難易度7/ 10計算量5/ 10目安25

ベクトル 内積の利用、式変形、計算整理

方針

辺長の二乗で a,b,c 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 S2={AB2BC2(ABBC)2}/4 と比較する。

解答

(1)
3辺の長さを AB=x,BC=y,CA=z とおく。まず a=CAAB である。CA は頂点 A から見た AC 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 a=0 は,ABAC が垂直であること,すなわち A=90 と同値である。同様にb=0B=90,c=0C=90である。

よって abc=0 なら,a,b,c の少なくとも1つが0であるから,ABC 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 直角三角形 である。

(2)
辺の長さの2乗を X=AB2,Y=BC2,Z=CA2 とおく。三角形のベクトルは AB+BC+CA=0 を満たすので,たとえば BC=(AB+CA) である。両辺の長さの2乗をとると Y=X+Z+2ABCA となる。ここで ABCA=a だから a=YXZ2 である。同じようにして b=ZXY2,c=XYZ2 を得る。

この表示からa=bY=Z,b=cZ=X,c=aX=Yである。したがって (ab)(bc)(ca)=0 なら,少なくとも2つの辺の長さが等しい。よって ABC 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 二等辺三角形 である。正三角形も二等辺三角形に含まれる。

(3) u=AB,v=BC とおく。このとき2辺 AB,BC がつくる平行四辺形の面積の2乗は u2v2(uv)2 であるから,三角形の面積を S とすると S2=14{XYb2} である。ここで X=AB2Y=BC2 であり,b=uv である。

一方,(2) で得た a=YXZ2,b=ZXY2,c=XYZ2 を用いる。計算を見やすくするため T=X+Y+Z とおくと a=YT2,b=ZT2,c=XT2 である。したがってab+bc+ca=(a+b+c)2(a2+b2+c2)2=T24X2+Y2+Z22=2XY+2YZ+2ZXX2Y2Z24となる。

また b=ZXY2 よりXYb2=XY(ZXY)24=2XY+2YZ+2ZXX2Y2Z24である。よって XYb2=ab+bc+ca となるから S2=14(ab+bc+ca) である。面積は正なので S=12ab+bc+ca が成り立つ。

別解

解法2

方針

u=ABv=AC と置き、3つの内積を u2,v2,uv だけで表す。差を取れば二等辺条件が直接現れ、ab+bc+ca は面積公式の根号内と一致する。

解答

u=ABv=AC とし、U=u2,V=v2,w=uvとおく。CA=vBC=vu だからa=w,b=wU,c=wV.(1)(1) a=0uv、すなわち A=90 を意味する。同様に、b=0B=90c=0C=90 を意味する。よって abc=0 の必要十分条件は、ABC が直角三角形であることである。

(2) (1)よりab=U2w=vu2V,bc=VU,ca=2wV=Uvu2.したがって、いずれかの差が0であることは、AB,BC,CA 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ab+bc+ca=(w)(wU)+(wU)(wV)+(wV)(w)=UVw2.一方、u,v のなす角を θ とし、面積を S とすると4S2=UVsin2θ=UV(uv)2=UVw2.ゆえにS=12ab+bc+ca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。

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出典: 東北大学 1985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。