Evolton

東北大学 2024年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

a,b,dを正の実数とし,xy平面上の点
O(0,0)A(a,0)B(b,0)D(0,d)が次の条件をすべて満たすとする。OAD=15,OBD=75,AB=6以下の問いに答えよ。

(1) tan75の値を求めよ。

(2) a,b,dの値をそれぞれ求めよ。

(3) 2点O,Dを直径の両端とする円をCとする。
線分ADCの交点のうちDと異なるものをPとする。
また,線分BDCの交点のうちDと異なるものをQとする。
このとき,方べきの定理APAD=AO2,BQBD=BO2を示せ。

(4) (3)の点P,Qに対し,積APBQの値を求めよ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安18

三角関数図形と方程式 三角比の利用円の性質図形的解釈

方針

まずA,Bx軸上,Dy軸上にあることから,直角三角形AOD,BODの三角比でa,b,dを結ぶ。tan75は加法定理で求め,tan15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AP=AO2/AD,BQ=BO2/BDを用い,AD=a/cos15,BD=b/cos75に直して積を計算する。

解答

(1)
加法定理よりtan75=tan(45+30)=tan45+tan301tan45tan30である。tan45=1,tan30=13を代入するとtan75=1+13113=3+131=(3+1)22=2+3である。

(2)
三角形AODOで直角であり,AO=a,OD=dである。OAD=15だから tan15=ODAO=da である。また,1575は余角なので tan15=1tan75=12+3=23 である。よって da=23,a=d23=d(2+3) となる。

同様に,三角形BODについてOBD=75より tan75=ODBO=db=2+3 であるから b=d2+3=d(23) である。ここで ab=d{(2+3)(23)}=23d であり,図の位置関係からAB=ab=6である。したがって 23d=6,d=3 である。よって a=3(2+3)=3+23,b=3(23)=233 である。

(3)
CODを直径とする円である。点Pは円C上にあり,PDだから,直径に対する円周角より OPD=90 である。一方,AOx軸上,ODy軸上にあるので AOD=90 である。また,Pは線分AD上にあるから,APADは同じ直線上にあり,OAP=OAD である。したがって,直角三角形AOPADO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AOAD,またAPに対応するのはAOであるから APAO=AOAD である。よって APAD=AO2 が成り立つ。

同じ理由で,点QについてもOQD=90であり,直角三角形BOQBDOは相似である。したがって BQBO=BOBD となり,BQBD=BO2 が成り立つ。

(4)
(3)よりAP=AO2AD=a2AD,BQ=BO2BD=b2BDである。したがって APBQ=a2b2ADBD である。

三角形AODADは斜辺であり,AO=aだから cos15=aAD,AD=acos15 である。同様に BD=bcos75 である。よってAPBQ=a2b2acos15bcos75=abcos15cos75となる。

(2) の値から ab=(3+23)(233)=129=3 である。また積和公式によりcos15cos75=cos90+cos602=0+122=14である。したがって APBQ=314=34 である。

【点の配置】

OD が直径なので OPD=OQD=90 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

C を座標方程式で表し、AD,BD 上の点を始点からの比 t で媒介する。円との交点を与える二次式から、D 以外の根を読み取って APADBQBD を直接計算する。

解答

(1) tan75=2+3 である。

(2) 直角三角形 AOD,BOD からa=d(2+3),b=d(23).ab=AB=6 よりd=3,a=3+23,b=233.(3) 直径が OD の円はC:x2+y2dy=0である。線分 AD 上の点を、A から D へ進む比 t を用いてX=(a(1t),dt)(0t1)と表す。円の式へ代入するとa2(1t)2+d2t2d2t=(1t){a2(1t)d2t}=0.t=1 は点 D を表す。もう一つの根はt=a2a2+d2=AO2AD2であり、これが点 P に対応する。AP=tAD だからAPAD=tAD2=AO2.同様に BD 上で計算すれば BQBD=BO2 を得る。

(4) したがってAPBQ=a2b2ADBD=abcos15cos75.ab=3cos15cos75=1/4 より、求める値は 3/4 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。a>b なので AB=ab であること、OD が直径なので OPD=OQD=90 であることが要点である。

【独立検算】 a=3+23,b=233,d=3 を座標式へ代入し、AB=6、両角、ab=3APBQ=3/4 を確認した。

冊子PDFで見る東北大の三角関数の問題で問題集を作る

出典: 東北大学 令和6年度一般選抜(前期日程)数学(公式出題意図・講評照合)(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。