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東北大学 1993年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第5問

原点(0,0)Oとし,
行列A=(abcd)によって表される1次変換をfとする.
3点P1(1,0)P2(12,12)P3(0,1)
fによる像をそれぞれP1P2P3とおく.

OP1OP1=1
OP2OP2=3
OP3OP3=3であるとき,
次の問に答えよ.
ただし,OPiOPi (i=1,2,3)
OPiOPiの内積を表す.

(1) {}abcを求めよ.

(2) {}点P(cost,sint)fによる像をPとする.
t0tπの範囲で変化するとき,
OPOPの内積OPOPの最大値と最小値,
およびそれらの値を与えるtの値を求めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15

ベクトル三角関数行列 内積の利用三角比の利用、範囲評価

方針

各条件は、移った点と元の単位方向ベクトルの内積を計算すればよい。P1 から a=1P3 から d=3P2 から b+c=2 が決まる。bc は個別には決まらないが、(2)で必要なのは和 b+c だけである。P=(cost,sint) について内積を三角関数で整理し、2+2sin(2tπ/4) の最大最小を読む。

解答

(1)

まず P1=(1,0) である。P1 が移った点は(ac)であるから、条件 OP1OP1=1(a,c)(1,0)=a=1 を意味する。したがって a=1 である。

次に P3=(0,1) である。P3 が移った点は(bd)であるから (b,d)(0,1)=d=3 であり、d=3 である。

さらに P2=(12,12) である。P2 が移った点は (a+b2,c+d2) なので、内積は a+b+c+d2 である。これが3に等しいから a+b+c+d=6 である。a=1d=3 を代入して b+c=2 を得る。

以上より、条件から決まるのは a=1,d=3,b+c=2 である。bc は個別には定まらないが、次の設問では和 b+c だけが必要である。

(2) P=(cost,sint) とおく。この点が移った点を P とすると OP=(acost+bsint, ccost+dsint) である。したがってOPOP=(acost+bsint)cost+(ccost+dsint)sint=acos2t+(b+c)sintcost+dsin2tである。

(1) で得た a=1d=3b+c=2 を代入するとOPOP=cos2t+2sintcost+3sin2t=2cos2t+sin2t=2+2sin(2tπ4)である。 0tπ なので 2tπ/4π/4 から 7π/4 まで動く。この範囲で sin は最大値1、最小値 1 をとる。

最大値は 2+2 であり、これは 2tπ4=π2 すなわち t=3π8 のときである。

最小値は 22 であり、これは 2tπ4=3π2 すなわち t=7π8 のときである。

原問題の(1)は a,b,c を求めるよう記載されているが、与えられた3条件だけでは b,c を個別には決められない。決定できるのは a=1,d=3,b+c=2 までであり、(2)の値はこの和だけで一意に定まる。

別解

解法2

方針

内積に影響するのは行列の対称部分だけである。(1)で a=1,d=3,b+c=2 を得た後、X=y2x2, Y=2xy と置くと X2+Y2=1 になる。内積は 2+X+Y なので、コーシー・シュワルツの不等式から最大最小を出す。

解答

(1)

P1,P3 の条件から直ちにa=1,d=3.P2=(1/2,1/2) の条件はa+b+c+d2=3だからb+c=2.b,c は個別には定まらず、この和だけが後半に必要である。

(2)

P=(x,y)=(cost,sint) とおく。求める内積を Q とするとQ=x(ax+by)+y(cx+dy)=x2+2xy+3y2=2+(y2x2)+2xy.ここでX=y2x2,Y=2xyとおくとX2+Y2=(x2+y2)2=1.コーシー・シュワルツの不等式より2X+Y2.したがって22Q2+2.最大の等号は X=Y=1/2 のときである。これはcos2t=sin2t=12を意味し、0tπ では t=3π/8 である。最小の等号はcos2t=sin2t=12のときで、t=7π/8 である。

よって最大値は 2+2t=3π/8)、最小値は 22t=7π/8)である。

総評

内積条件が、行列の成分そのものではなく対称な組み合わせを決める問題。(1)では a=1d=3b+c=2 までが条件から従う内容で、b,c は個別には決まらないことを明記したい。(2)では内積に現れるのが b+c だけであるため、設問はそのまま解ける。三角関数の整理では 2cos2t+sin2t2+2sin(2tπ/4) と書くと、最大最小とその時刻が読み取りやすい。 原問題の(1)は記載どおりでは b,c を個別に決定できないため、決定可能な a=1,d=3,b+c=2 を明示し、(2)が一意に解けることを確認した。

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出典: 東北大学 1993年度 前期日程 第2次学力試験 理系 前期 第5問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。