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東北大学 2008年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第1問

△OABはOA=2,OB=1をみたすとし,
ベクトルOA→とOB→の内積を
OA→⋅OB→=tとおく.
辺ABの中点をM,∠AOBの二等分線と辺ABの交点をC,
頂点Oから直線ABに垂線をおろし,交点をDとする.
a→=OA→,b→=OB→とおくとき,
以下の問いに答えよ.

(1) ベクトルOM→,OC→,OD→を
a→,b→,tで表せ.

(2) 辺AB上に点がA,M,C,D,Bの順に並ぶようなtの範囲を求めよ.
ただし,これら5点はどの2点も一致しないものとする.

難易度5/ 10計算量5/ 10目安22分

ベクトル 内積の利用、ベクトル成分計算、場合分け

方針

辺 AB 上の点を A から B へ向かうパラメータ s で表し,OA→+s(OB→−OA→) と置く。M,C,D に対応する s をそれぞれ求めれば,(2)の順序条件は単に 0<1/2<2/3<sD<1 という不等式になる。D は垂足なので,OD⊥AB を内積で表して sD を求める。

解答

(1) a→=OA→,b→=OB→とする。

まず M は AB の中点であるから OM→=a→+b→2 である。

次に C は ∠AOB の二等分線と AB の交点である。角の二等分線の性質より AC:CB=OA:OB=2:1 である。したがって C は AB を 2:1 に内分する点なので OC→=a→+2b→3 である。

最後に D を求める。D は AB 上にあるからOD→=a→+s(b→−a→)とおける。D は O から AB へ下ろした垂線の足なので OD→⋅(b→−a→)=0 である。ここで∣a→∣2=4,∣b→∣2=1,a→⋅b→=tであるから a→⋅(b→−a→)=t−4 であり,∣b→−a→∣2=1+4−2t=5−2t である。よって (t−4)+s(5−2t)=0 となり s=4−t5−2t である。したがってOD→=(1−4−t5−2t)a→+4−t5−2tb→すなわちOD→=1−t5−2ta→+4−t5−2tb→である。

(2)
三角形がつぶれないためには,∣a→∣=2,∣b→∣=1 より −2<t<2 である。この範囲では 5−2t>0 である。 AB 上のパラメータ s で見ると,A,M,C,D,B に対応する値は順に 0,12,23,4−t5−2t,1 である。したがって,この順に並び,どの2点も一致しない条件は 23<4−t5−2t<1 である。

分母は正なので,左の不等式から 3(4−t)>2(5−2t) すなわち 12−3t>10−4t であり,t>−2 を得る。右の不等式から 4−t<5−2t であり,t<1 を得る。

もともとの三角形の条件 −2<t<2 と合わせると,求める範囲は −2<t<1 である。

辺 AB を A+s(B−A) と表すと、順序条件は s の大小関係になる。

総評

難度は10段階中5、計算量は10段階中5。試験場での目安は22分で、辺上の点を1つのパラメータで整理できるかが要点である。採点点は、角の二等分線から AC:CB=2:1 を用いること、垂足 D を内積条件で求めること、点の順序を s の大小に翻訳することにある。5−2t は三角形の範囲で正なので,不等式を解く前に確認しておくと符号ミスを避けられる。

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出典: 東北大学 2008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。