方針
各ステップで大きさは 倍、向きは ずつ増えるので、 の大きさと偏角をそのまま追う。(2)では により向きが3項周期になるため、 の3項を1組にして、残りは公比 の等比数列として和を取る。
解答
(1) であり、 は を正の向きに だけ回転し、大きさを 倍したものである。したがって の大きさは であり、正の 軸から測った向きは である。よって同じ向きをもつ単位ベクトルは である。
(2) のとき、向きは3項ごとに戻る。具体的にである。したがって3項を1組にすると であるから、 について和を取ればよい。よってここでであり、 である。 なので であり、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 、拡大を 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 を複素数 に対応させる。一般の ではであるから、向きだけを表す単位ベクトルはである。
(2)
とし、とおく。このとき であり、 と より である。また実部と虚部を座標へ戻すと
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 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。