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東北大学 1998年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第2問

ABCにおいて,正の数rがあり,
r=sinBsinA=sinCsinBが成り立っている.

(1) r3cosA+r2cosB+rcosCrの式で表せ.
(2) cosAcosBcosCrの式で表せ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20

三角関数 三角比の利用、式変形、計算整理

方針

正弦定理により、角 A,B,C の対辺の比を 1:r:r2 と置く。そこから余弦定理で cosA,cosB,cosC をそれぞれ r の式にする。(1)は代入後に分母をそろえて整理し、(2)では同じ式をそのまま答える。辺の置き方を明示して、どの角に対応する余弦かを取り違えないように進める。

解答

A,B,C の対辺の長さをそれぞれ α,β,γ とする。正弦定理よりsinBsinA=βα=r,sinCsinB=γβ=rである。したがって、辺の比を α:β:γ=1:r:r2 とおける。以下、α=1, β=r, γ=r2 として計算する。

余弦定理よりcosA=β2+γ2α22βγ=r2+r412r3である。同様にcosB=γ2+α2β22γα=r4+1r22r2であり、cosC=α2+β2γ22αβ=1+r2r42rである。

(1)
上の式を代入するとr3cosA=r4+r212,r2cosB=r4r2+12,rcosC=1+r2r42である。これらを加えると r3cosA+r2cosB+rcosC=r4+r2+12 となる。

(2)
求める値はcosA=r4+r212r3,cosB=r4r2+12r2,cosC=1+r2r42rである。実際に三角形が存在する r の範囲では、辺 1,r,r2 が三角不等式を満たしており、上の余弦定理の式がそのまま対応する。

三角形の存在条件は辺比 1:r:r2 の三角不等式から512<r<5+12であり、問題で存在が仮定されているため上の式はこの範囲で用いる。

別解

解法2

方針

正弦定理を使わず、A+B+C=πの正弦加法定理からcosA, cosB, cosCの連立一次方程式を作って解く。

解答

条件からsinB=rsinA,sinC=r2sinA.A+B+C=π を三通りに使うとsinC=sin(A+B),sinA=sin(B+C),sinB=sin(C+A).sinA>0 で割り、条件を代入してrcosA+cosB=r2,r2cosB+rcosC=1,r2cosA+cosC=r.(1)この連立一次方程式を解くとcosA=r4+r212r3,cosB=r4r2+12r2,cosC=1+r2r42r.これが (2) の答えである。

(1)

上の三式を代入してr3cosA+r2cosB+rcosC=r4+r2+12.なお三角形の存在から辺比 1:r:r2 が三角不等式を満たし、512<r<5+12である。

総評

難度6、計算量5。目安時間は20分。中心は正弦定理で「正弦の比」を「辺の比」に変えることにある。1:r:r2 と置いた後は余弦定理だけだが、cosA では A の対辺を引く、という対応を1つでもずらすと全体が崩れる。答案では辺の記号を最初に置いておくと、計算の見通しと検算がしやすい。

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出典: 東北大学 1998年度 後期 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。