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東北大学 2007年度 後期日程 第2次学力試験文系(後期)数学 第3問

xy平面の3点(0,0)(1,0)(0,1)を頂点とする三角形をAとし、
3点(0,0)(b,0)(0,1)を頂点とする三角形をBとする。
(a1,a2)A内を動き、点(b1,b2)B内を動くとき、
(a1+b1,a2+b2)で表される点の全体をA+Bとかく。

(1) b=2のときA+Bの面積を求めよ。

(2) すべてのb>0に対して、A+BA+Bを示せ。
ただし、A+BABは、それぞれA+BABの面積とする。

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20

図形と方程式論証・証明 座標設定面積計算、場合分け、不等式評価

方針

A+B は、A の点と B の点を足して得られる集合なので、2つの三角形の頂点和からできる凸多角形として考える。b=2 では頂点を並べて四角形の面積を求める。一般の b では、横方向の長さがどちらの三角形で大きいかにより b10<b1 で頂点の並びが変わる。それぞれ多角形の面積を出し、A=1/2B=b/2 を代入して、平方後の不等式を確認する。

解答

(1) b=2 のとき、B の頂点は (0,0),(2,0),(0,1) である。A+B の外側の頂点は、頂点同士の和から (0,0),(3,0),(2,1),(0,2) となる。したがって A+B はこの4点を頂点にもつ四角形である。

頂点をこの順に並べて面積を求めると A+B=12{31+22}=72 である。

(2)

まず A=12,B=b2 である。 b1 のとき、A+B の頂点は (0,0),(1+b,0),(b,1),(0,2) である。よって面積は A+B=3b+12 である。この場合、示すべき不等式は両辺が非負なので、2乗して 3b+1212+b2+212b2 すなわち 3b+11+b+2b である。これは bb と同値であり、b1 で成り立つ。 0<b1 のとき、A+B の頂点は (0,0),(1+b,0),(1,1),(0,2) である。よって A+B=b+32 である。同様に2乗して整理すると、示すべきことは b+31+b+2b すなわち 1b であり、0<b1 で成り立つ。

以上より、すべての b>0 に対して A+BA+B が示された。

b=1 を境に、A+B の外周に現れる頂点が入れ替わる。

総評

難度6、計算量5。点集合 A+B を、2つの三角形の「和」でできる凸多角形として捉える問題である。頂点は単純に全組合せを並べるのではなく、外側に出るものだけを順に取る必要があるため、b=1 を境に場合分けが生じる。面積を出した後の不等式は両辺非負なので2乗してよい。頂点の順序と面積計算でミスが出やすいので、図を描いて確認したい。20分強が目安である。

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出典: 東北大学 2007年度 後期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。