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東北大学 1990年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第3問

xy平面の原点をO,放物線y2=x上の点をP,放物線y=x2上の点をQ
Qにおけるy=x2の接線とx軸の交点をRとする.
PQPOQOOPOQとなるように動かし,
位置ベクトルOROR=pOP+qOQ(p,qは実数)と表す.pqの関係を求め,点(p,q)の描く図形をかけ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20

ベクトル図形と方程式 座標設定内積の利用軌跡

方針

放物線上の点をそれぞれ1つの文字で表す。直交条件から2つの文字の関係がすぐ決まり、接線と x 軸の交点 R も求まる。あとは OR=pOP+qOQ を成分比較して p,q を媒介変数表示し、媒介変数を消去して円の一部として図示する。端点が含まれないことも確認する。

解答

放物線 y2=x 上の点を P=(u2,u) とおく。PO より u0 である。また、放物線 y=x2 上の点を Q=(v,v2) とおく。QO より v0 である。

直交条件 OPOQ より (u2,u)(v,v2)=u2v+uv2=uv(u+v)=0 である。u0v0 だから v=u である。したがって Q=(u,u2) である。

次に、y=x2x=v=u における接線を求める。接線の傾きは 2v=2u なので yu2=2u(x+u) すなわち y=2uxu2 である。これと x 軸との交点は y=0 として 2uxu2=0 より R=(u2,0) である。

いま OR=pOP+qOQ だから、成分比較により u2=pu2qu,0=pu+qu2 である。第2式を u0 で割ると p+qu=0 すなわち p=qu である。これを第1式に代入して u で割ると 12=puq=qu2q=q(1+u2) となる。よって q=12(1+u2),p=u2(1+u2) である。

この表示から p2=u24(1+u2)2 であり、またq(12q)=12(1+u2){1212(1+u2)}=u24(1+u2)2である。したがって p2=q(12q) である。これを平方完成すると p2+(q14)2=116 である。

さらに u0 なので 0<q<12 である。よって点 (p,q) の描く図形は、中心 (0,14)、半径 14 の円のうち、2点 (0,0),(0,12) を除いた部分である。

別解

解法2:媒介変数を係数比から消去する

方針

2つの放物線上の点を1変数で表し、直交条件で媒介変数を1つにする。位置ベクトルの係数比較から u=p/q を得て、もう1本の式へ代入して媒介変数を消去する。

解答

点をP=(u2,u),Q=(v,v2)とおく。P,QO だから u,v0 である。直交条件からu2v+uv2=uv(u+v)=0なのでv=u,Q=(u,u2).Q における接線はy=2uxu2だからR=(u2,0).係数比較によりu2=pu2qu,0=pu+qu2.第2式からp=qu.これを第1式へ代入するとq=12(1+u2),p=u2(1+u2).ここで u=p/q2q(1+u2)=1へ代入するとp2=q(12q).したがってp2+(q14)2=116.u0 なので 0<q<1/2。よって軌跡は、中心 (0,1/4)、半径 1/4 の円から(0,0),(0,1/2)を除いた部分である。

総評

難度は10段階中6、計算量は10段階中5。2つの放物線を別々の媒介変数で置き、直交条件で一気に結びつけるのが要点である。最後の図示では方程式だけでなく、q=0q=12 が到達されないことを明記したい。試験場では18分程度で、接線の方程式の符号と R の座標を慎重に扱う必要がある。

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出典: 東北大学 1990年度 後期 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。