方針
まずが軸上,が軸上にあることから,直角三角形の三角比でを結ぶ。は加法定理で求め,もその逆数として使う。(3)は「直径に対する円周角は直角」から相似を作って方べきの式を証明する。(4)は(3)で得たを用い,に直して積を計算する。
解答
(1)
加法定理よりである。を代入するとである。
(2)
三角形はで直角であり,である。だから である。また,とは余角なので である。よって となる。
同様に,三角形についてより であるから である。ここで であり,図の位置関係からである。したがって である。よって である。
(3)
円はを直径とする円である。点は円上にあり,だから,直径に対する円周角より である。一方,は軸上,は軸上にあるので である。また,は線分上にあるから,とは同じ直線上にあり, である。したがって,直角三角形とは相似である。
対応する辺を比べると,斜辺に対応するのはと,またに対応するのはであるから である。よって が成り立つ。
同じ理由で,点についてもであり,直角三角形とは相似である。したがって となり, が成り立つ。
(4)
(3)よりである。したがって である。
三角形では斜辺であり,だから である。同様に である。よってとなる。
(2) の値から である。また積和公式によりである。したがって である。
【点の配置】
が直径なので となり、相似が生じる。
別解
別解(円の方程式へ直線を代入する)
方針
円 を座標方程式で表し、 上の点を始点からの比 で媒介する。円との交点を与える二次式から、 以外の根を読み取って と を直接計算する。
解答
(1) である。
(2) 直角三角形 から より(3) 直径が の円はである。線分 上の点を、 から へ進む比 を用いてと表す。円の式へ代入すると は点 を表す。もう一つの根はであり、これが点 に対応する。 だから同様に 上で計算すれば を得る。
(4) したがって、 より、求める値は である。
総評
【公式出題意図・講評との対応】 測量を題材に、正接の加法定理、直角三角形、方べきの定理をつなぐ問題である。公式講評では(1)(2)は良好だった一方、(3)で相似による方べきの証明が不十分な答案が見られ、(4)までの完答は少なかった。本解説は対応する角と辺を明記し、別解では円の方程式から積の関係を独立に導いた。
難度5、計算量5、想定時間18分。 なので であること、 が直径なので であることが要点である。
【独立検算】 を座標式へ代入し、、両角、、 を確認した。