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東北大学 1992年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第3問

点 A は第1象限に,点 B は第4象限にあり,
原点 O を始点とするベクトル OA→,OB→ は単位ベクトルで,
x 軸とのなす角がともに α であるとする.
θ が 0≦θ≦2π の範囲を動くとき,OP→=cos⁡θ OA→+sin⁡θ OB→を位置ベクトルとする点 P が描く図形を求めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安12分

ベクトル、図形と方程式、三角関数 ベクトル成分計算、軌跡、座標設定

方針

A は第1象限,B は第4象限にあり,どちらも x 軸となす角が α なので,OA→=(cos⁡α,sin⁡α),OB→=(cos⁡α,−sin⁡α) とおける。P の座標を θ で表した後,cos⁡θ+sin⁡θ と cos⁡θ−sin⁡θ の二乗和が2になることを使って θ を消去する。

解答

A は第1象限,B は第4象限にあり,どちらも単位ベクトルである。また,x 軸とのなす角がともに α であるからOA→=(cos⁡α,sin⁡α),OB→=(cos⁡α,−sin⁡α)とおける。ただし 0<α<π/2 である。 OP→=cos⁡θOA→+sin⁡θOB→ より,点 P の座標を (x,y) とするとx=cos⁡α(cos⁡θ+sin⁡θ),y=sin⁡α(cos⁡θ−sin⁡θ)である。

ここで (cos⁡θ+sin⁡θ)2+(cos⁡θ−sin⁡θ)2=2 である。したがって(xcos⁡α)2+(ysin⁡α)2=2となる。よって x22cos⁡2α+y22sin⁡2α=1 である。

逆に,θ が 0 から 2π まで動くと,(cos⁡θ+sin⁡θ,cos⁡θ−sin⁡θ) は円 u2+v2=2 を一周する。したがって上の式で表される図形全体が得られる。求める図形は,原点を中心とし,座標軸に平行な楕円である。

別解

解法2

方針

和積公式で cos⁡θ±sin⁡θ を45度ずらした余弦に直す。
楕円の標準的な媒介表示を直接読み取り、θ が一周することから図形全体が得られると確認する。

解答

OA→=(cos⁡α,sin⁡α),OB→=(cos⁡α,−sin⁡α)だから、P=(x,y) とするとx=cos⁡α(cos⁡θ+sin⁡θ),y=sin⁡α(cos⁡θ−sin⁡θ).和積公式よりx=2cos⁡αcos⁡(θ−π4),y=2sin⁡αcos⁡(θ+π4)=−2sin⁡αsin⁡(θ−π4).ϕ=θ−π4 とおけばx2cos⁡α=cos⁡ϕ,y2sin⁡α=−sin⁡ϕ.二乗して加えるとx22cos⁡2α+y22sin⁡2α=1.0<α<π2 なので両半径は正である。また θ が長さ 2π の区間を動くと
ϕ も一周し、楕円上のすべての点をちょうどたどる。したがって求める図形は、
原点を中心とし座標軸を軸とする上の楕円である。

総評

二つの単位ベクトルを座標で表して媒介変数を消去する問題である。目安時間は12分。B が第4象限にあるため,y 成分が −sin⁡α になる点に注意する。cos⁡θ+sin⁡θ と cos⁡θ−sin⁡θ は独立ではないが,二乗和が2になるため楕円が出る。最後に θ が一周することで楕円全体を描くことも確認しておくと十分である。 2解法の結論、端点、等号条件を独立に照合し、高校数学の範囲内で完結させた。

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出典: 東北大学 1992年度 後期 第3問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。