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東北大学 2009年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

ABの長さが1,Aが直角となる三角形ABCがある.
BC上を点Cから点Bまで動く点Dを考え,
内積ADABtとおく.
以下の問いに答えよ.

(1)
tの動く範囲を求めよ.

(2)
ADAC=CDCAが成り立つとき,
tの値を求めよ.

難易度4/ 10計算量3/ 10目安10

ベクトル 内積の利用座標設定、範囲評価

方針

直角をなすABACを基準にし,Dを辺BC上の比で表す。AB=1なので,ADABAB方向の係数そのものになる。(2)では同じ表示を使い,ADACCDCAを計算して係数を比較する。

解答

DC から B へ動かすと,AB 方向の係数が 0 から 1 まで動く.

(1) AB=u,AC=v とおく。Aは直角であり,AB=1だから u=1,uv=0 である。

Dは辺BC上をCからBまで動くので,ある実数sを用いて AD=su+(1s)v(0s1) と表せる。s=0のときD=Cs=1のときD=Bである。このときt=ADAB={su+(1s)v}u=su2+(1s)vu=sである。したがってtの動く範囲は 0t1 である。

(2)

(1) と同じく AD=su+(1s)v とする。するとADAC={su+(1s)v}v=(1s)v2である。またCD=ADAC=susv=s(uv)であり,CA=v だからCDCA=s(uv)(v)=sv2である。

条件ADAC=CDCA(1s)v2=sv2 となる。三角形なのでv0であり,1s=s より s=12 である。(1)でt=sだったので t=12 である。

別解

解法2(座標法)

方針

A=(0,0)B=(1,0)C=(0,c) と置く.辺 BC 上の点を1つの媒介変数で表せば,内積は座標の積として直接計算できる.

解答

AC=c  (c>0) とし,A=(0,0),B=(1,0),C=(0,c)と置く.D は辺 BC 上にあるから,ある s を用いてD=(s,c(1s))(0s1)と書ける.

(1) AD=(s,c(1s)),AB=(1,0)よりt=ADAB=s.したがって0t1である.

(2) AC=(0,c),CD=(s,cs),CA=(0,c)なのでADAC=c2(1s),CDCA=c2s.c>0 より条件は 1s=s と同値であり,s=12.t=s だったからt=12である.

総評

難度4、計算量3。直角をなす2方向に分解すれば,内積は係数を取り出すだけになる。DCからBまで動くため0s1となること,AB=1によりt=sとなることを明記したい。(2)はCDCAの向きを取り違えやすい。目安時間は10分から12分程度で,確実に取り切るべき問題である。

検算では D=C,B に対応して t=0,1 になることを確かめる.ベクトル解法と座標解法はいずれも,CDCA の向きを正しく取ることが要点である.

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出典: 東北大学 2009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。