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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3問

xy平面でx座標,y座標が共に0以上の整数となる点を非負格子点という.
非負格子点P(x, y)にその番号N(P)をN(P)=2x(2y+1)で付ける.

(1) 番号が2000番になる非負格子点の座標を求めよ.
(2) 連続する整数n,n+1,n+2を番号にもつ非負格子点をそれぞれA,B,Cとする.
2以上の整数aによりn=2a(2a+1)となっているとき,
△ABCの面積をaで表せ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安15分

整数、図形と方程式 素因数分解、座標設定、面積計算

方針

番号 N(P)=2x(2y+1) は、正整数を「2で割れる回数」と「奇数部分」に分けた表示である。(1)は2000を2のべきと奇数に分解する。(2)では n,n+1,n+2 それぞれについて2進分解を行い、対応する3点 A,B,C の座標を求める。最後は座標平面の三角形の面積公式を使う。特に n+2 の奇数部分を確認するため、a≧2 の条件を用いる。

解答

(1) 2000=24⋅125=24(2⋅62+1) である。番号 N(P)=2x(2y+1) では、2の指数が x、残った奇数部分が 2y+1 であるから x=4,y=62 である。したがって求める非負格子点は (4,62) である。

(2) n=2a(2a+1) である。2a+1 は奇数なので、n を番号にもつ点 A は A=(a,2a+1−12)=(a,2a−1) である。

次に n+1=22a+2a+1 であり、これは奇数である。したがって n+1=20(2y+1) と見れば 2y+1=22a+2a+1 より B=(0,22a+2a2)=(0,2a−1(2a+1)) である。

さらにn+2=2a(2a+1)+2=22a+2a+2=2(22a−1+2a−1+1).ここで a≧2 だから、22a−1 と 2a−1 はともに偶数であり、22a−1+2a−1+1 は奇数である。よって n+2 を番号にもつ点 C はC=(1,22a−1+2a−1+1−12)=(1,2a−2(2a+1))である。

座標の面積公式を用いる。A=(a,2a−1) として、AB→=(−a,2a−1(2a+1)−2a−1)=(−a,22a−1),AC→=(1−a,2a−2(2a+1)−2a−1)=(1−a,2a−2(2a−1)).したがって2[ABC]=∣(−a)2a−2(2a−1)−22a−1(1−a)∣=2a−2∣−a(2a−1)−2a+1(1−a)∣=2a−2{a(2a+1)−2a+1}. a≧2 では波括弧内は正であるから、求める面積は [ABC]=2a−3{a(2a+1)−2a+1} である。

別解

解法2

方針

番号の2進付値が横座標、残る奇数部分が縦座標を決める。(2)は3整数の2進分解後、行列式で面積を一度に求める。

解答

(1) 2000=24⋅125=24(2⋅62+1)だからP=(4,62).(2)

n=2a(2a+1) で a≧2 だからn=2a{2(2a−1)+1},n+1=2{2a−1(2a+1)}+1,n+2=2{2a−1(2a+1)+1}.よってA=(a,2a−1),B=(0,2a−1(2a+1)),C=(1,2a−2(2a+1)).座標の行列式より2[ABC]=∣∣−a22a−11−a2a−2(2a−1)∣∣=2a−2{a(2a+1)−2a+1}.a≧2 では波括弧内は非負であるから[ABC]=2a−3{a(2a+1)−2a+1}.

総評

2進分解と座標の対応を使う整数・格子点の問題である。目安時間は15分程度。(2)では n+1 が奇数、n+2 が2でちょうど1回割れることを確認する部分が採点上重要である。面積計算は最後に一気に複雑になるため、3点の座標を先に整理し、ベクトルまたは座標公式で機械的に処理するとよい。a≧2 の条件は偶奇確認と面積式の符号確認の両方で働く。

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出典: 東北大学 1999年度 前期 文系 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。