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東北大学 1989年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第2問

行列A=(cos2θsinθcosθsinθcosθcos2θ) (0<θ<π2)
の表す1次変換をfとする.
C:(x2)2+y2=43fによる像をC1とする.

(1) 曲線C1は円であることを示し,その中心の座標と半径を求めよ.

(2) 2円CC1が外接するようにθを定めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安12

行列図形と方程式 回転・拡大座標設定円の性質

方針

行列 Acosθ 倍と角 θ の回転の積として読む。円は相似変換で円へ移り、中心と半径はそれぞれ変換像と倍率から決まる。外接条件は2中心間距離が半径の和に等しいことを使う。

解答

(1) c=cosθ, s=sinθ とおくとA=c(cssc).右側の行列は角 θ の回転を表し、全体はその後に c 倍する相似変換である。したがって円 C の像 C1 も円である。

C の中心は I=(2,0)、半径は 2/3 だから、像の中心はI1=A(20)=(2c22sc),半径はr1=2c3である。

(2) 2中心間の距離を d とするとd2=(2c22)2+(2sc)2=4(1c2)=4s2.0<θ<π/2 より d=2s である。外接条件は2s=23+2c3,すなわち3sinθ=1+cosθ.(1)半角公式を用いると23sinθ2cosθ2=2cos2θ2.cos(θ/2)>0 だからtanθ2=13.範囲条件よりθ=π3.

別解

解法2:像の円の方程式を直接求める

方針

出力座標を (X,Y) とし、変換が長さを cosθ 倍することを内積計算で確かめる。中心の像からの距離を使って C1 の方程式を直接書き、外接条件を解く。

解答

(1) 任意のベクトル u に対してAu2=cos2θu2が成り立つ。よって中心 I=(2,0) から半径 2/3 の円上の点は、変換後に AI から距離2cosθ3の点へ移る。したがって C1 の方程式は(X2cos2θ)2+(Y2sinθcosθ)2=4cos2θ3.中心は(2cos2θ,2sinθcosθ)で、半径は 2cosθ/3 である。

(2) 元の中心 (2,0) と像の中心との距離は(2cos2θ2)2+(2sinθcosθ)2=2sinθ.外接するため2sinθ=23(1+cosθ).1+cosθ>0 なのでsinθ1+cosθ=tanθ2=13.したがってθ=π3.

総評

難度は10段階中5、計算量は10段階中4。問題が明示的に行列の表す1次変換を扱っているため、この大問では行列を用いるのが自然である。A=cosθ 倍と回転の合成だと読めれば、像が円であること、中心、半径が同時に分かる。外接では中心間距離を半径の和と等置し、内接条件と混同しないこと。目安時間は12分。

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出典: 東北大学 1989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。