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東北大学 1993年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

Aabを正の数とする.曲線(a+b)(x2+y2)+2(ab)xy2A(x+y)+2a2=0(C)x軸とy軸とに接するとき,次の問に答えよ.

(1) {}Aabで表し,曲線Cx軸に接する点およびy軸に接する点の座標をそれぞれ求めよ.

(2) {}曲線Cを原点のまわりに45回転させて得られる曲線の方程式を求め,
曲線Cが楕円であることを確かめよ.

難易度6/ 10計算量6/ 10目安20

図形と方程式 判別式回転・拡大、計算整理

方針

座標軸への接触は、y=0 または x=0 を代入した二次方程式が重解をもつ条件として処理する。これにより A と接点の座標を決める。回転後は、新しい座標を X,Y として x=(XY)/2, y=(X+Y)/2 を代入し、xy の項が消える形に整理する。平方完成で標準形に直せば、係数が正であることから楕円と分かる。

解答

(1)

曲線が x 軸に接する条件を調べる。y=0 を代入すると (a+b)x22Ax+2a2=0 である。x 軸に接するためには、この二次方程式が重解をもてばよい。したがって判別式は0であり、(2A)24(a+b)2a2=0 である。よって A2=2a2(a+b) となる。A>0a>0 だから A=a2(a+b) である。

このとき重解は x=2A2(a+b)=Aa+b=a2a+b である。よって x 軸との接点は (a2a+b,0) である。

同様に x=0 を代入すると (a+b)y22Ay+2a2=0 となり、同じ重解をもつ。したがって y 軸との接点は (0,a2a+b) である。

(2)

回転後の座標を X,Y とし、x=XY2,y=X+Y2 とおく。このとき x2+y2=X2+Y2,xy=X2Y22,x+y=2X である。これを与えられた曲線の方程式に代入すると (a+b)(X2+Y2)+(ab)(X2Y2)22AX+2a2=0 である。整理して 2aX2+2bY222AX+2a2=0 すなわち aX2+bY22AX+a2=0 を得る。

(1) より A=a2(a+b) だから 2A=2aa+b である。したがって aX22aa+bX+bY2+a2=0 であり、平方完成すると a(Xa+b)2+bY2=ab となる。両辺を ab で割って (Xa+b)2b+Y2a=1 である。a>0b>0 なので、これは中心 (a+b,0) をもつ楕円である。

別解

解法2

方針

先に45度回転座標 X=(x+y)/2, Y=(yx)/2 を導入して交差項を消す。元の座標軸は回転座標では Y=±X なので、楕円候補とこの直線の交点が重解になる条件から A と接点を同時に決める。

解答

(1)

45度回転した座標をX=x+y2,Y=yx2とおく。逆変換はx=XY2,y=X+Y2.元の方程式はaX2+bY22AX+a2=0となる。

x 軸は Y=X だから、接点では(a+b)X22AX+a2=0が重解をもつ。よって判別式から2A24a2(a+b)=0.A>0 よりA=a2(a+b).重解はX=2A2(a+b)=aa+b,Y=X.したがって元の座標では(x,y)=(a2a+b,0).y 軸は Y=X であり、同様に接点は(x,y)=(0,a2a+b).(2)

回転後の方程式へ求めた A を代入するとaX2+bY22aa+bX+a2=0.平方完成してa(Xa+b)2+bY2=ab,すなわち(Xa+b)2b+Y2a=1.a,b>0 なので、これは中心 (a+b,0)、半軸長 b,a の楕円である。

総評

接線条件を判別式で処理し、回転で交差項を消す問題。(1)では接する点を「重解」として出すため、判別式0だけでなく重解の値まで書く必要がある。(2)は45度回転の代入で x2+y2xyx+y がどう変わるかを明示すると計算が安定する。平方完成後に a,b>0 を使って標準形の分母が正であることを確認すれば、楕円であることがきちんと示せる。 軸への接触を元座標と回転座標の双方で重解条件として確認し、接点と楕円標準形が一致した。

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出典: 東北大学 1993年度 前期日程 第2次学力試験 文系 前期 第2問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。