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東北大学 2023年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

平面上の半径1の円Cの中心Oから距離4だけ離れた点Lをとる。
Lを通る円Cの2本の接線を考え,この2本の接線と円Cの接点をそれぞれMNとする。
以下の問いに答えよ。

(1) 三角形LMNの面積を求めよ。

(2) 三角形LMNの内接円の半径rと,三角形LMNの外接円の半径Rをそれぞれ求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安16

図形と方程式三角関数 座標設定円の性質三角比の利用

方針

OLx 軸に置き,円を x2+y2=1L=(4,0) としてよい。接点 M=(u,v) では半径 OM と接線 LM が垂直なので,内積条件と円の条件から u=1/4 が決まる。2つの接点は上下対称で,底辺 MN と高さがすぐ出る。内接円半径は S=rs,外接円半径は S=abc/(4R) を用いる。

解答

(1)
図形は回転しても面積や長さが変わらないので,O=(0,0)L=(4,0),円 C:x2+y2=1 として考える。接点の一つを M=(u,v) とする。接点では半径 OM と接線 LM が垂直であるから,(u,v)(4u,v)=0 である。すなわち 4uu2v2=0 である。また M は円上にあるので u2+v2=1 である。したがって 4u1=0 となり,u=14 である。

円上の条件から v2=1116=1516 である。よって2つの接点は M,N=(14,±154) である。したがって MN=152 であり,L から直線 MN,すなわち x=1/4 までの距離は 414=154 である。よって三角形 LMN の面積 SS=12152154=151516である。

(2)
接線の長さは,直角三角形 OLM から LM=LN=OL2OM2=161=15 である。また(1)より MN=15/2 である。半周長を s とすると s=15+15+1522=5154 である。

内接円の半径を r とすると S=rs だからr=Ss=1515165154=34である。

外接円の半径を R とする。三角形の三辺を用いる面積公式 S=LMLNMN4R より151516=15151524Rである。右辺の分子は 1515/2 なので,R=2 である。

別解

別解(接線の対称性と外接円の中心)

方針

直角三角形 OLM と接点弦 MN の対称性から底辺と高さを求める。外接円については中心が対称軸 OL 上にあることを用いる。

解答

(1)
OMLM であるから,直角三角形 OLM によりLM=OL2OM2=161=15.二つの接点は直線 OL に関して対称であり,MNOL である。M から OL へ下ろした垂線の足を T とすると,相似または射影からOT=OM2OL=14.よってMT=OM2OT2=1116=154,MN=2MT=152,LT=414=154.したがって面積は12MNLT=12152154=151516.(2)
半周長はs=215+15/22=5154.面積を S とすれば S=rs なのでr=1515/16515/4=34.外接円の中心 U は対称軸 OL 上にある。OU=t とおくと,座標を O=(0,0)L=(4,0)M=(1/4,15/4) としてUL2=(4t)2,UM2=(t14)2+1516=t2t2+1.UL=UM より(4t)2=t2t2+1であり,t=2 を得る。よってR=UL=2.

総評

接線と半径の直交を座標で処理する図形問題。目安時間は16分。接点の x 座標が 1/4 と決まるところが計算の中心で,ここから三角形の底辺と高さが一気に出る。内接円半径と外接円半径は,面積を先に求めてから標準公式に入れると短い。LM=LN の二等辺三角形であること,および高さが L から x=1/4 までの距離であることを図で確認すると符号や長さの取り違えを防げる。 座標法と接弦の対称性を用いる幾何解法で,面積・内接円半径・外接円半径が一致した。

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出典: 東北大学 2023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。