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東北大学 2021年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

平面において,2つの点O,Aの間の距離が1であるとし,
点Oと点Aを中心とする2つの円をそれぞれC1,C2とする。
C1とC2は2点P,Qにおいて交わり,∠OPA=π3であるとし,
C2の半径rはr<1を満たすとする。以下の問いに答えよ。

(1) C1の半径を求めよ。

(2) r=33のとき,∠PAOの大きさを求めよ。

(3) r=33のとき,
円C1の内部と円C2の内部との共通部分の面積を求めよ。

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20分

三角関数、図形と方程式 三角比の利用、円の性質、面積計算

方針

三角形 OPA に注目し,OP を C1 の半径,AP=r,OA=1,∠OPA=π/3 として余弦定理を使う。r=3/3 のときは3辺が具体的に分かるので,もう一度余弦定理で ∠PAO を出す。共通部分の面積は2円の対称性を用い,中心 O の扇形と中心 A の扇形を足して,重複して含まれる四角形 OPAQ の面積を引く。

解答

(1) C1 の半径を ρ とする。点 P は2つの円の交点だから OP=ρ,AP=r,OA=1 である。また ∠OPA=π3 である。三角形 OPA に余弦定理を用いると 12=ρ2+r2−2ρrcos⁡π3 すなわち 1=ρ2+r2−ρr である。これを ρ について解くと ρ=r±4−3r22 となる。0<r<1 より 4−3r2>r であるから,負号の解は負になる。半径は正なので ρ=r+4−3r22 である。

(2) r=33 のとき,(1) より OP=33+4−12=233 である。三角形 OPA で,角 ∠PAO に対して余弦定理を用いるとcos⁡∠PAO=AP2+AO2−OP22AP⋅AO=13+1−432⋅33⋅1=0である。したがって ∠PAO=π2 である。

(3)

(2) のとき,三角形 OPA では ∠OPA=π3,∠PAO=π2 であるから ∠POA=π6 である。交点 P,Q は直線 OA に関して対称なので,中心 O で見た扇形の中心角は 2⋅π6=π3,中心 A で見た扇形の中心角は 2⋅π2=π である。

共通部分は,中心 O,半径 233,中心角 π3 の扇形と,中心 A,半径 33,中心角 π の扇形を合わせ,その中で重複して数えた四角形 OPAQ を引けばよい。

まず2つの扇形の面積の和は12(233)2π3+12(33)2π=2π9+π6=7π18である。また三角形 OPA は A で直角なので [△OPA]=12⋅OA⋅AP=36 であり,四角形 OPAQ の面積はその2倍で 33 である。したがって共通部分の面積は 7π18−33 である。

総評

難度6、計算量5。想定時間は20分程度。2円の交点と中心を結んだ三角形に余弦定理を使い、共通部分を扇形の和として処理する問題である。(1)では半径として正の解を選ぶ理由、(3)では中心角がそれぞれ π/3 と π になる理由を明示する。2つの扇形から四角形を引く分解で答えを検算した。

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出典: 東北大学 2021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。