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東北大学 2008年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第2問

nを2以上の自然数とする.
平面上のOA1A2OA2A1=90OA1=1A1A2=1nをみたすとする.
A2からOA1へ垂線をおろし,交点をA3とする.
A3からOA2へ垂線をおろし,交点をA4とする.
以下同様に,k=4,5,について,AkからOAk1へ垂線をおろし,
交点をAk+1として,順番にA5,A6,を定める.
hk=AkAk+1とおくとき,以下の問いに答えよ.

(1) k=1,2,のとき,ベクトルhkhk+1の内積
hkhk+1nkで表せ.

(2) Sn=k=1nhkhk+1とおくとき,
極限値limnSnを求めよ.
ここで、自然対数の底eについて,
e=limn(1+1n)nであることを用いてもよい.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安24

ベクトル数列 内積の利用和の計算極限計算

方針

2本の半直線のなす角を ϕ とし,最初の直角三角形から sinϕ=1/ncosϕ=(n1)/n を求める。垂線の長さは操作のたびに cosϕ 倍され,隣接する垂線ベクトルの内積は長さの積に cosϕ を掛けたものになる。最後は等比数列の和を取り,(11/n)n1/e に帰着させる。

解答

(1) A1OA2=ϕ とおく。OA1A2A2 で直角で,OA1=1A1A2=1/n である。したがって sinϕ=A1A2OA1=1n であり,cosϕ=11n=n1n である。

最初の垂線ベクトルの長さは h1=A1A2=1n である。以後,片方の半直線からもう片方の半直線へ垂線を下ろすたびに,同じ角 ϕ をもつ直角三角形ができるので,長さは毎回 cosϕ 倍になる。よってhk=1n(n1n)k1である。

また,隣り合う hkhk+1 のなす角の余弦は,向きまで考えると cosϕ=n1n である。したがってhkhk+1=hkhk+1(n1n)であり,長さを代入してhkhk+1=1n(n1n)kを得る。

(2)
(1)より Sn=1nk=1n(11n)k である。ここで r=11n とおくと k=1nrk=r(1rn)1r であり,1r=1/n だからSn=r(1rn)=(11n){1(11n)n}である。

与えられた e の定義から limn(11n)n=1e である。したがって limnSn=1(11e)=1e1 である。

2本の半直線への直交射影を交互に繰り返すため、各線分の長さは一定比で縮む。

総評

難度は10段階中6、計算量は10段階中5。試験場での目安は24分で、文系類題を一般の n に拡張した形である。採点点は、sinϕcosϕ の取り違えを避けること、内積の符号を cosϕ とすること、和の上限にも同じ文字 n が使われている点を丁寧に扱うことである。最後は等比数列の和を r(1rn) まで簡単にしてから極限へ進むと計算が崩れにくい。

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出典: 東北大学 2008年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。