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東北大学 1999年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第1問

3つの角αβγ (90<α,β,γ<90)tanα+tanβ+tanγ=tanαtanβtanγをみたすとき,α+β+γの値をすべて求めよ.

難易度4/ 10計算量3/ 10目安8

三角関数 式変形、三角比の利用、場合分け

方針

各角は 9090 の間にあるので、いずれの余弦も0ではない。したがって、与式を正接の加法定理の分子として扱える。分母が0の場合を避けて議論するより、sin(α+β+γ)tanα,tanβ,tanγ で表すと、条件から直接0になる。最後は α+β+γ の範囲が 270 より大きく 270 より小さいことを使い、180 の整数倍のうち可能なものだけを残す。

解答

cosα,cosβ,cosγ はすべて0でない。そこで sin(α+β+γ) を加法定理で展開する。まずsin(α+β+γ)=sinαcosβcosγ+cosαsinβcosγ+cosαcosβsinγsinαsinβsinγである。右辺から cosαcosβcosγ をくくるとsin(α+β+γ)=cosαcosβcosγ{tanα+tanβ+tanγtanαtanβtanγ}となる。

与えられた条件より、波括弧内は0である。したがって sin(α+β+γ)=0 である。よって α+β+γ=180k を満たす整数 k が存在する。

一方、各角の範囲から 270<α+β+γ<270 である。したがって、この範囲に入る 180 の整数倍は 180,0,180 だけである。

また、これらはいずれも実際に起こる。例えば(α,β,γ)=(60,60,60),(0,0,0),(60,60,60)はいずれも条件を満たし、和は順に 180,0,180 である。よって求める値は 180, 0, 180 である。

別解

解法2

方針

まず 1tanαtanβ0 を確認し、2角の正接加法定理へ帰着する。和の範囲と実現例まで確認する。

解答

x=tanαy=tanβz=tanγ とおく。もし 1xy=0 なら、条件式から x+y=0 となる。しかし xy=1x+y=0 を同時に満たす実数 x,y はない。よって 1xy0 である。

与式 x+y+z=xyz よりx+y1xy=z.したがってtan(α+β)=tanγ=tan(γ)であり、α+β+γ=180k(kZ).各角が 9090 の間にあるので、和は 270270 の間にある。よって候補は180,0,180.これらはそれぞれ(60,60,60),(0,0,0),(60,60,60)で実現する。したがって求める値は180,0,180.

総評

加法定理の分子を見抜く三角関数の標準問題である。目安時間は8分程度。答案では、正接の加法定理をそのまま書くと分母が0の場合を見落としやすいため、sin(α+β+γ) の展開から処理すると堅い。最後に角度範囲を使って候補を 180,0,180 に絞り、実際にそれらが可能であることまで触れると「すべて求めよ」に対する答案として完成する。

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出典: 東北大学 1999年度 前期 文系 第1問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。