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東北大学 2014年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第1問

2次の正方行列A,B,Cを次のように定める。A=(100−1),B=(1−331),C=BAB−1(1) Cを求めよ。

(2) C(xy)=(xy)を満たす点(x, y)をすべて求めよ。

(3) 点(x, y)が直線x=1上を動くとき,(x′y′)=C(xy)によって定まる点(x′, y′)の軌跡の方程式を求めよ。

難易度4/ 10計算量4/ 10目安16分

行列、図形と方程式 式変形、軌跡、文字消去

方針

(1) は B−1 を計算し、C=BAB−1 を順に掛ける。(2)は固定される点、すなわちC(xy)=(xy)を連立一次方程式として解く。(3)は直線 x=1 上の点を (1,y) とおき、変換後 (x′,y′) から媒介変数 y を消去する。

解答

(1) B=(1−331)であり、行列式は 1⋅1−(−3)3=4 である。したがってB−1=14(13−31)である。

まずBA=(1−331)(100−1)=(133−1)である。よってC=BAB−1=14(133−1)(13−31)=14(−223232)である。したがってC=(−12323212)である。

(2) C(xy)=(xy)は −12x+32y=x および 32x+12y=y を意味する。第1式を整理すると 3y=3x なので y=3x である。第2式も同じ条件を与える。

よって求める点は直線 y=3x 上のすべての点である。すなわち (x,y)=(s,3s)(s∈R) である。

(3)

直線 x=1 上の点を(1y)とおく。これを C で移すと(x′y′)=(−12323212)(1y)である。したがって x′=−12+32y y′=32+12y である。

第1式から 3y=2x′+1 なので y=2x′+13 である。これを第2式に代入するとy′=32+12⋅2x′+13=323+2x′+123=x′+23である。よって x′−3y′+2=0 である。軌跡の方程式は、文字を通常の (x,y) に戻して書けば x−3y+2=0 である。

総評

難度4、計算量4。目安時間は16分。行列計算と直線の像を求める基本問題である。(1) は B−1 の係数 1/4 を落とさず、順序 BAB−1 を守る。(2) は固定点全体が直線になるので、原点だけで終わらないよう注意する。(3) は x=1 上の点を (1,y) と置き、変換後の x′,y′ から媒介変数 y を消去すればよい。 別解監査では、固定直線を反射軸として図形的に処理する方法もあるが、行列 C の計算後は同じ反射の式になるため独立解法として追加していない。

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出典: 東北大学 2014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。