方針
は を成分計算し、、 を使って方程式を2本に絞る。 と を解けば一意に決まる。 では得た変換式を代入すると、常に が成り立つので、移った図形は1本の直線上にある。円周上で がとる範囲を内積の最大値として求め、線分として図示する。
解答
(1) とする。計算するとである。したがって が成り立つためには が必要である。
ここで 、 なので、、 である。よって を解けばよい。第1式から であり、第2式から である。これらを等しいとして を得る。整理すると であるから である。 より である。さらに である。したがって である。
(2) の値を代入すると、1次変換は である。このとき である。したがって、移った図形は直線 上にある。
次に の範囲を求める。円 上で である。内積の形で見るとである。また等号は、 が と同じ向き、または反対向きにあるときに成り立つので、この範囲のすべての値をとる。
したがって移った図形は で表される線分である。端点はである。
別解
解法2(跡と行列式の恒等式)
方針
2次行列の恒等式を使って を2つの係数条件へ落とす。像は円を三角関数で媒介表示し、一直線上で振幅の範囲を動く線分として図示する。
解答
(1) と置く。2次行列の直接計算から で、 の左下成分は1だから より なので 、したがって である。さらに から(2) と置くとある角 を用いてと書けるので、 は から までの全値を取る。よって像はで表される線分で、端点はである。
総評
行列条件と円の退化像を扱う問題で、目安は27分。正条件a,b>0で分岐を除き、像が面積を持つ楕円ではなく線分になることをy'=2x'から読む。端点は一次式の振幅で確認する。