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東北大学 1994年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

行列A=(2sinθ2cosθab),B=(2sinθa2cosθb)において,Aは逆行列A1をもち,0θ180ab0とする.
B=3A1が成り立つとき,次に答えよ.

(1) Aを求めよ.

(2) Aの表すxy平面上の1次変換によって,円x2+y2=1はどのような図形に移るか.
その方程式を求めよ.

難易度7/ 10計算量6/ 10目安25

行列図形と方程式 恒等式比較回転・拡大軌跡

方針

BA の転置行列なので、条件 B=3A1ATA=3E に直す。これは A の2本の列ベクトルが、ともに長さ 3 で互いに垂直であることを意味する。列の長さと内積条件から cos2θ=1/2 を導き、さらに ab0θ の候補を絞る。円の移った図形は、長さが常に 3 倍されることから決める。

解答

(1)

与えられた2つの行列を見ると B=AT である。条件 B=3A1 より AT=3A1 であるから、右から A を掛けて ATA=3E を得る。これは、A の2つの列ベクトルがともに長さ 3 で、互いに垂直であることを表す。

第1列と第2列はそれぞれ(2sinθa),(2cosθb)である。したがって 2sin2θ+a2=3 4cos2θ+b2=3 22sinθcosθ+ab=0 が成り立つ。 u=cos2θ とおくと、上の2つの長さ条件から a2=1+2u,b2=34u である。また内積条件を2乗すると a2b2=8sin2θcos2θ=8(1u)u である。よって (1+2u)(34u)=8u(1u) となり、整理して 36u=0 を得る。したがって cos2θ=12 である。 0θ180 かつ sinθ0 なので、候補は θ=45,θ=135 である。θ=45 のときは 22sinθcosθ>0 だから、内積条件より ab<0 となり、条件 ab0 に反する。したがって θ=135 である。

このとき 2sinθ=1,2cosθ=2 であり、長さ条件から a2=2,b2=1 である。さらに内積条件から ab=2 である。よって (a,b)=(2,1),(a,b)=(2,1) の2通りである。

したがって求める行列はA=(1221)またはA=(1221)である。

(2)

(1) で得たどちらの行列についても ATA=3E が成り立つ。点 (x,y) を列ベクトル X とし、移った点を Y=AX とすると Y2=YTY=(AX)T(AX)=XTATAX=3XTX=3(x2+y2) である。

もとの点が円 x2+y2=1 上を動くとき、移った点 (X,Y)X2+Y2=3 を満たす。逆に A は逆行列をもつので、この円周上の各点はもとの円周上の点から移ってくる。したがって求める図形は x2+y2=3 で表される円である。

単位円の像

別解

解法2

方針

逆行列を成分表示して条件を直接比較する。行列式を消去して三角関数と a,b の関係を決め、最後に ATA=3E から像の方程式を得る。

解答

(1) A1=1detA(b2cosθa2sinθ)である。B=3A1 の各成分を比較し、両辺に detA を掛けると2sinθdetA=3b,adetA=6cosθ,2cosθdetA=3a,bdetA=32sinθ.第2・第3式から、a0 の場合は (detA)2=18 が得られ、
第1・第4式も合わせると列の長さはともに 3、内積は0となる。
すなわちATA=3E.この成分条件を解くとθ=135,a2=2,b2=1,ab=2.したがってA=(1221),A=(1221).(2)
像の点を y=Ax とするとy2=xTATAx=3x2.よって単位円の像はx2+y2=3である。

総評

逆行列条件を長さと直交の条件へ変換する行列問題。目安時間は25分前後。B=AT に気づけば ATA=3E となり、列ベクトルの長さと内積だけで処理できる。cos2θ=1/2 の後、ab0 によって 45 を除くところが重要である。(2)は個別に点を追うより、AX2=3X2 を示すと短く確実である。 2解法の結論を照合し、端点・符号・定義域・必要十分性を再確認した。 図は本文の論証を補助するものであり、縮尺に依存せず結論が得られる。

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出典: 東北大学 1994年度 前期日程 第2次学力試験 文系 前期 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。