方針
(1) は4点が同一円周上にある条件を,弦を見込む角の等しさとして偏角で表す。向き付き角を使うと,与えられた複素数比が実数で,さらに負であることに対応する。(2)はを代入し,として比の虚部が0になる条件を計算する。より円が得られ,負の実数になる条件からを加える。
解答
(1) とは弦の反対側にある。4点が同一円周上にあることは,この弦を見込む向き付き角が一致することと同値であり,偏角でと書ける。反対側から見込むため対応する比は正でなく負の実数である。式を整理するとよって必要十分条件が得られる。
(2) を代入すると,よりとしとおけばである。したがってだから,実数条件はである。この円上ではよってに対してのもとでこれが負となるのはである。ではとなり比が未定義,は問題の条件外である。したがって軌跡はで表される両端を含まない円弧である。
別解
解法2
方針
(1) は弦を見込む向き付き角を複素数比の偏角に翻訳する。(2)では比を展開せず,を通る円の一般方程式を作る。から円の係数を定め,も同じ円上にある条件を代入・因数分解して軌跡を得る。
解答
(1) 弦を見込む向き付き角を偏角で表すとは実軸の反対側にあるので,比は正でなく負の実数になる。整理するとこれが求める必要十分条件である。
(2) を通る円はと書ける。を代入するとまた,として円の左辺へ代入すると第2因子はだから逆にこの円上でなら上の計算を逆にたどれ,さらにだから(1)の上下条件も満たす。上半円弧でとなる範囲はであり,端点は条件外または比が未定義である。したがって軌跡は
総評
難度8,計算量7。目安時間は35分。(1)では「実数」だけでなく,が弦の反対側にあるため負の実数になるところまで説明する。(2)は比の虚部を直接計算しても,を通る円の一般方程式を使ってもよい。候補の円を得た後,元の負の実数条件またはの上下関係を逆向きにも確認することが必要十分性の採点点である。最後にと端点を含まない理由を明記する。