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。 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 と で頂点の並びが変わる。それぞれ多角形の面積を出し、、 を代入して、平方後の不等式を確認する。
解答
(1) 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 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 である。
(2)
まず である。 のとき、A+B の頂点は である。よって面積は 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 すなわち である。これは と同値であり、 で成り立つ。 のとき、A+B の頂点は である。よって である。同様に2乗して整理すると、示すべきことは すなわち であり、 で成り立つ。
以上より、すべての に対して が示された。
を境に、 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、 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。