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東北大学 1996年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

p1=(1,0) とする。
ベクトル pn に対し、これを正の向きに角 θ だけ回転し、
さらにその大きさを α 倍したベクトルを pn+1 とする。
ただし、0<α<1n=1,2,3, とする。

(1) pn と同じ向きをもつ単位ベクトル
en を求めよ。

(2) θ=2π3 のとき、n=199pnを求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15

ベクトル三角関数数列 回転・拡大和の計算三角比の利用

方針

各ステップで大きさは α 倍、向きは θ ずつ増えるので、pn の大きさと偏角をそのまま追う。(2)では θ=2π/3 により向きが3項周期になるため、n=3j+1,3j+2,3j+3 の3項を1組にして、残りは公比 α3 の等比数列として和を取る。

解答

(1) p1=(1,0) であり、pn+1pn を正の向きに θ だけ回転し、大きさを α 倍したものである。したがって pn の大きさは αn1 であり、正の x 軸から測った向きは (n1)θ である。よって同じ向きをもつ単位ベクトルは en=(cos(n1)θ,sin(n1)θ) である。

(2) θ=2π/3 のとき、向きは3項ごとに戻る。具体的にp3j+1=α3j(1,0),p3j+2=α3j+1(12,32),p3j+3=α3j+2(12,32)である。したがって3項を1組にするとp3j+1+p3j+2+p3j+3=α3j(1α2α22,32(αα2)). 99=333 であるから、j=0,1,,32 について和を取ればよい。よってn=199pn=(1α2α22,32(αα2))1α991α3.ここで1α2α22=(1α)(1+α2),32(αα2)=(1α)3α2であり、1α3=(1α)(1+α+α2) である。0<α<1 なので 1α0 であり、n=199pn=1α991+α+α2(1+α2,3α2)である。

別解

解法2

方針

平面ベクトルを複素数で表す。回転を ω=e2πi/3、拡大を α とすれば、各項は等比数列になり、99項の和を一度に計算できる。

解答

(1)
ベクトル (x,y) を複素数 x+iy に対応させる。一般の θ ではzn=αn1ei(n1)θであるから、向きだけを表す単位ベクトルはen=(cos(n1)θ, sin(n1)θ)である。

(2)
θ=2π/3 とし、ω=e2πi/3=12+i32とおく。このとき zn=(αω)n1 であり、n=199zn=1(αω)991αω.ω3=199=333 より(αω)99=α99 である。また11αω=1+α2+i3α21+α+α2.実部と虚部を座標へ戻すとn=199pn=1α991+α+α2(1+α2, 3α2).

総評

難度5、計算量4。回転と拡大を「向き」と「長さ」に分けると99項でも3項周期の等比和になる。複素数法でも ω99=1 を使えば同じ結果になり、成分の符号まで相互確認できる。 2解法の最終値を照合し、境界条件・符号・定義域も確認した。

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出典: 東北大学 1996年度 前期日程 文系 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。