1 [神戸大・文]
D D = ′ $
2
E E = ′ %
2 とおくと $2 ′ %2 ′はそれぞ れDEと同じ向きの単位ベクトルである。
これから 2$′+2%′=2&′とすると線分2&′は2$′ %
2 ′を隣り合う辺とするひし形の対角線となる。 よってWを実数として 2&=W2&′=W2$′+2%′であ る点&は ∠;2<の二等分線上にある。
D = E =なのでより
(
)
23=W D+E ………①
ここで 2' の中点を $ として点 ' を定義すると
$' = $% =から実数Vを用いてより
(
$' $%)
2$
23= +V +
(
)
E D DV
D+ + −
=
=
(
+V)
D+VE………② D Eは次独立なので①②より
W = + V………③ W =V………④ ③④より W =+W W=
よって①から 23=
(
D+E)
=D+E[解 説]
角の二等分線をひし形の対角線として表現する有名問題です。なお の点 3 は 三角形2$%の傍心のつです。
2 $ ;
% <
&
&′
$′
%′
2 $ ;
% <
電送数学舎 2006 −−
2 [大阪大・理] 条件より点 * は△2$%の重心であり 23=D2$
2%
24=E なので
24 23 2% 2$
2*= + = D + E
*が△234の内部に含まれるための必要十分条件は
D> E> D+E<
<D< <E< より D> E>は成立し
D+ E<
変形すると E<DD−となりD−>のもとで
D− = + D− D
E>
よって点D Eの範囲を図示すると右図の網点部 となる。ただし境界線は含まない。
[解 説]
まったく同じ問題に出会ったことがあるという感覚がありますが単なる既視感か もしれません。
2
$ %
3
4 *
D E
2
3 [京都大・理] %&上に点4を固定し<S<<U<として
$%
$3= S $5=U$& △345の重心を*とすると
$& $% $4 $5 $4 $3
$*= + + = +S⋅ +U⋅ ここで $4=$4 $%=$% $&=$& とおき 線分$% $&を隣りあう 辺とする平行四辺形を6$とお く。
さて SU を <S< <U< を満たすように動かすと 点* は6$を$4だけ平行移動した平行四辺形64の内部 を動く。
ここで点 4 を辺 %& 上で点 % から点 & まで動かすと
点4は線分%&上を点%から点&まで動く。その結果平行四辺形64 は平行移 動しその通過領域が点*の動く範囲である。
以上より辺 $% の三等分点を% % 辺 $& の三等分 点を& & 辺%&の三等分点を' 'とおくと点*は 六角形%%''&&の内部を動く。
すなわち点*の動く範囲は右図の網点部である。ただし 境界線は含まない。
[解 説]
独立に動く点が つありそのうちの つを固定して考えた解です。そのプロセス が記述しにくくそのため演習するのに適した問題です。
$
% 4 &
4 % &
$
% &
% &
% &
電送数学舎 2006 −−
4 [京都大・文] ま ず %$= − %&=− と な り
平面$%&の法線ベクトルをQ=D E Fとおくと
%$⋅Q=D+E−F= %&⋅Q=−D+E+F=
よってD=FE=となり Q=D すると平面$%&の方程式は
[− +] = [+] =………①
さて (S T Uとおくと '(=S− T− U− Q
'( よりWを実数として'(=WQとなり
S− T− U− =W よって S=W+ T= U=W+………②
また'(の中点
(
S+ T+ U+)
は平面$%&上にあるので①より+ + =
+ U
S S+U+=………③
②③より W+=W=−
②から S=−T= U=となり (− である。
[解 説]
京大では本年度より出題範囲に含まれた「代数・幾何」時代の頻出題です。平 面の方程式の基本事項は「ピンポイントレクチャー」を参照してください。
$
% & '
(
5 [筑波大・理] Wを実数としX=FRVθ VLQθ とおくと
VLQ FRV θ θ
θ [ \ ] WX W
/ = =
これより /θ上の点3θは 3θ WFRVθ WVLQθ とお くことができる。
ここで $ から
VLQ FRV
$3θ = W θ − W θ −
条件より $3θと/θは直交するので $3θ ⋅X= VLQ FRV
FRVθ W θ − +W θ = W=FRVθ よって3 FRVθ VLQθFRVθ
θ と表せる。
さて 3θ [ \ ]とおくと
θ
FRV =
[ \=VLQθFRVθ ] =
すると [=+FRVθ \=VLQθ から点3θの描く円の方程式は
[− +\ = ]=
すなわち[\平面上で中心 半径の円を描く。 2$= 23θ =FRVθ VLQθFRVθ より
≦θ<π のとき θ
θ FRV 23
2$⋅ = 2$ =
θ θ θ
θ FRV VLQ FRV
23 = + = FRVθFRVθ +VLQθ =FRVθ
ここで△2$3θの面積を6とおくと
θ θ
θ
θ
FRV FRV
23 2$ 23 2$ − ⋅ = ⋅ − = 6
= FRVθ −FRVθ
(
)
FRV − + − = θ
すると FRVθ = =
VLQθ = − = のとき6 は最大値
= をとる。このとき 3θの座標は
× = [ × × =
\ から
(
)
3θ[解 説]
では有名な三角形の面積公式を利用しています。
電送数学舎 2006 −−
6 [一橋大] D = E = F =より
= + + +
+ +
+
= D E F D E F D E F
] ≦ ≦ ………①
①において等号が成立するのは左側ではD+EとFが同じ向きのとき右側では DとEが同じ向きのときである。
よってDEFが同じ向きのとき ] は最大値をとる。
また D − E ≦ D+E ≦ D + E より≦ D+E ≦となり
− = −
+ +
+
= D E F ≧ D E F ≧
] ………②
②において等号が成立するのは左側ではD+EとFが逆向きのとき右側ではD とEが逆向きのときである。
よってE FがDと逆向きのとき ] は最小値をとる。 条件よりD⋅]=なので D⋅D+E+F=となり
= + ⋅ +D E F
D D⋅E+F=−………③
ここで③の条件のもとで
D E F D D E F E F
] = + + = + ⋅ + + +
=+×−+ E+F =+ E+F
と同様に E − F ≦ E+F ≦ E + F から ≦ E+F ≦………④ ④の範囲の値はすべて③を満たしており+≦ ] ≦+から
≦ ] ≦
よってE Fが同じ向きのとき ] は最大値 をとりE Fが逆向きのとき 最小値 をとる。
[解 説]
ベクトルの三角不等式の問題です。で ] =となる場合があればこの値がも ちろん最小値ですがこのようなケースはありませんでした。なおではベクトル の和E+Fを変化するベクトルとしてとらえています。
[千葉大・文]
ま , 右図 う , 点 A を原点 し , 点B(3, 0)
あ う 座標系を設定 。
さ , 条件 , 点C, D Aを中心 半径1
上 あ , )C(cos, sin , )D(cos, sin
くこ 。
また, 点 E, F B を中心 半径 2 上 あ
, )E(32cos, 2sin , )F(32cos, 2sin くこ 。
こ , CE(32coscos, 2sinsin) ) sin sin 2 , cos cos 2 3 (
DF
っ , CEDF
2 2 (2sin sin ) )
cos cos 2 (
9
9414(coscos sinsin)
44cos()
以上 , CEDF , 1cos() 最大値 8 を , 1cos()
最 値0を 。
[解 説]
座標系を設定し, 積 成分計算をしました , 計算 予想外 言っ も いほ
少 した。
A
B C
D
E
F
3 1 y
© 電送数学舎 2007 -8-
[京都大・理]
a
OA , OBb, OCc , 条件 ,
c b
a ………(*)
ここ , 条件 , (3 2 )
5 1
OP a b
) 2 3 ( 5 1
OQ b c , (3 2 ) 5
1
OR c a
さ , OP OQ OR ,
a c c b b
a 2 3 2 3 2 3
2 2
2 2
2 2
4 12 9
4 12 9
4 12
9 a ab b b bc c c ca a
っ , (*) , abbcca
, a 22ab b 2 b 22bc c 2 c 22ca a 2 , 2
2 2
a c c b b
a
以上 , ABBCCA , △ABC 正 角形 あ 。
[解 説]
ベクトル利用 いう方針を立 た後 , そ 始点を決定 わけ , こ を点
O こ , た い い し う。ここま 準備を , 簡単 計算
結論 けま 。
A
B
C P
Q
[大阪大]
(1) 条件(a) , OPkOQ (k>0)
条件(b) 代入 , k>0 OQ 1
2
k
こ ,
2 OQ
1
k ,
OQ OQ
1 OP
2
………
さ , OB2OA く , 点 P OB を直径
C上 あ , 0 BP
OP , OP(OPOB)0………
,
OB
0 OQOQ OQ
OQ
2
2
0 OQ
OQ OB OQ
1
2
2 , OBOQ1………
ここ , OB OQ 角を く , OB 2r , , 1
cos OQ
2r ,
r
2 1 cos OQ
以上 , 半直線 OB 上
r
2 1
OH 点 H を , 点 Q 点 H を通 ,
OA 直交 直線上を動く。
(2) l C 2点 交わ 条件 , OH<OB あ 。 , r
r 2
2 1
< ,
2 1 >
r あ 。
[解 説]
式 , OQ OB 方向へ 正射影ベクトル 大 さ 一定 いう意味 えま
した。 , 原点をO, x軸を直線OA 座標系を 入 方法もあ ま 。
O
A B
© 電送数学舎 2007 -10-
10 [広島大・理]
(1) )P(x, y, z く , AP(x2, y, z), BP(x, y1, z) 。
さ , AP //u , sを実数 し , APsu, )(x2, y, z)s(1, 2, 5 2
s
x , y2s, z 5s………
また, BP //v , tを実数 し , BPtv, )(x, y1, z)t(1, 1, 1
t
x , yt1, zt………
, s2t…… , 12st …… , 5st……⑥ ,
3 5
t , 3 1
s , こ 値 ⑥を満た 。
っ ,
3 5
x , 3 2
y , 3 5
z ,
3 5 , 3 2 , 3 5P あ 。
(2)
c
3 5 , 3 2 , 3 5
CP , CP⊥w , CPw0
0 3
5 3 2 3 3
5
c , c2
っ , )C(0, 0, 2 。
(3)
3 1 , 3 2 , 3 5CP , CA(2, 0, 2), CB(0, 1, 2) ,
CB 3 2 CA 6 5 CP
っ , P 3点A, B, C 定 平面上 あ 。
[解 説]
(3) , x成分, y成分 , CA , CB 係数をそ 定 , そ 後, z成分を確認
11 [九州大・理]
(1) )A(a, a, b , )B(a, a, b , AB(2a, 2a, 0)
また, )C(a, a, b , AB 中点D(0, 0, b) , )
2 , , (
DC a a b , DO(0, 0, b)
, DCAB2a22a2 0, DOAB0 , AB
DC , DOAB
っ , △ABC
2 2 2 2 2 4 4 4 2 1 DC AB 2
1 a a a a b
2 2
2 2a a b
(2) DC DO 角 ,
DO DC
DO DC cos
2 2 2 2 2 2 4 2 2 4 2 b a b b b a a b
っ ,
2 2 2 2 2 2 2 4 2 4 1 cos 1 sin b a a b a b
さ , OH 平面 垂直 , OHAB0 , 0 AB OH AB DO AB ) OH DO ( AB
DH
, DHAB , 点H 直線CD上 存在し,
sin DO OH
2 2 2b
a ab
(3) 球面S 半径r
2 2 2 OC OB
OA a b r
ここ , HO 延長線 S 交点をP0 く ,
S上 点P 平面 距離 最大値 P0H ,
2 2 2 2 0 2 2 OH H P b a ab b a r
した っ , 四面体ABCP 体積 最大値 ,
H P ABC 3 1 0 △
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 1 b a ab b a b a a a
(a 2b )(2a b )ab
3
2 2 2 2 2
[解 説]
図示 , (1) 結論 明 , 続く設問へ 誘 っ いま 。コンパ
クト ま まった1題 。
© 電送数学舎 2008 -12-
12 [大阪大]
(1) OAa, OBb, OCc, ODd く ,
2 CD AB 2
2
MNbdac
, 2
AB 2 2AB CD CD 2
41
MN
( 2 cos60 ) 4
1 s2 st t2
( ) 4
1 s2stt2
っ ,
2 2
2 1
MN s stt
(2) s2t21(s>0, t>0) , scos , tsin
20<< く ,
sin2
2 1 1 sin cos 1 2
2stt
s
, 1sin2
4
, s2stt2 最大値 2 3
を 。
っ , (1) , MN 最大値
4 6 2 3 2 1
あ 。
[解 説]
平面ベクトル 基本題 。MN 表現 ポイント っ いま 。 , (2) ,
相加平均 相乗平均 関係を用い もOK 。
O X
Y
A B
C D
M
13 [九州大・理]
(1) AQ:QB△OAP:△OBPa:b ,
b a
a b
OA OB OQ
(2) △OABabc , OQ:QP△OAB:△ABP(abc): c , )
( : ) (
OP :
OQ abc ab
っ ,
c b a
a b c
b a
b a
OQ OA OB OP
(3) 高さ 等しい 角形 面積比 , 底辺 長さ 比
こ ,
6 : 5 : 3 AB : OB : OA :
:b c a
っ , (2) ,
2 OB 3 OA 5 6 5 3
OB 3 OA 5
OP
[解 説]
(3) , 角形 傍心 ベクトル表示 , (2) 誘 を利用 , 計算 不要
。 , 角や外角 二等分線 定理を用い 解も可能 , こ 出題者 善
意 反しま 。
O
A B
© 電送数学舎 2008 -14-
14 [一橋大]
(1)
3 2 OP ,
3 1
OQ , △OPQ 余 弦 定 理 を 適 用
し ,
cos60 13 3 1 3 2 2 3 1 3 2PQ2 2 2
っ ,
3 3 PQ
(2) ま , OA OB OC 1 あ ,
2 1 60 cos 1 1 OA OC OC OB OB
OA
さ , OA
3 2 OB 3 1
PQ , OA 3 2 OC
PRt ,
9 4 3 2 OA 3 2 OC
PR 2 t 2 t2 t
PR
PQ
OA
3 2 OC OA 3 2 OB 31
t 3 1 6 1 9 4 3 1 9 1 6
1
t t t
また, (1) ,
3 1
PQ 2 , △PQR 面積S ,
22 2 PR PQ PR PQ 2
1
S
2
23 1 6 1 9 4 3 2 3 1 2
1
t t t
27 1 9 1 36 11 2
1 2
t t
99 1 27 1 11 2 36 11 2 1 2 t
っ , 11
2
t , △PQR 面積 最 。
[解 説]
正四面体を題材 した頻出 も , 参考書 例題 掲載さ そう 問題 。
15 [金沢大・文]
(1) AQtAP , OQOAt(OPOA)
OP OA ) 1 (
OQ t t
(2) (1) , OQ(1t)(0, 0, 1)t(x0, y0, z0) (tx0, ty0, 1ttz0)
ここ , 点Q xy平面上 点 , 01ttz0 , 1z0 ,
0 1 1 z t ,
, 0
1 , 1 OQ 0 0 0 0 z y z x (3) OQ(x, y, 0) く , (2) ,
0 0 1 z x x ……… , 0 0 1 z y y ………
条件 , 点P(x0, y0, z0) , 球面 : 1 2 2 2y z
x
S 平面
2 1
y 共通部分
あ C上を動くこ ,
1 2 0 2 0 2
0 y z
x ……… , 2 1 0 y ……… , 4 3 2 0 2
0 z
x ………
また, ,
) 1 ( 2 1 0 z y
, y0 ,
y z
2 1 1 0 ,
y z
2 1 1
0 ………⑥
⑥ ,
y x x
2
0 ………
⑥ を 代入 ,
4 3 2 1 1 2 2 2 y y x 2 2 2 (2y 1) 3yx , x2y24y10……… 0
y を満た こ , 点Q xy平面上 4 1 0 2
2y y
x を描く。
[解 説]
有名 構図 問題 。誘 たいへ 丁寧 。
電送数学舎
−−
16 [大阪大・理]
まず 23と2$のなす角をθ 23と2%のなす角 をϕとおく。
条件より D⋅23=−E⋅23>………① すると ≦θ<π π<ϕ≦π
となり D = E = から①より
ϕ θ FRV
FRV =− FRVθ =FRVπ−ϕ
これよりθ =π −ϕとなり 23 は∠$2% の外角の 二等分線である。
さて点4は23上にあるのでNを正の定数として
{
}
24=N D+ −E =N D−E ………②
また 2$ =[ 2% =\とおくと2$=[D2%=\Eとなり $4⊥ 24から
ND−NE−[D ⋅ D−E = N D−E −[D⋅D−E=
これより
D D E E [ [DD EE [ E
D [ D [ E
D E D D [
N =
⋅ −
⋅ − = + ⋅ −
⋅ − =
− − ⋅
= となり②より
24=[ D−E
そこで0は辺$%の中点から 20=[D+\Eとなり
(
[ \)
E E\ D [ E D [
04= − − + =− + 以上より 04とEは平行である。
より 04 = [ +\ E =[ +\ =
(
2$ + 2%)
[解 説]
DとEがともに単位ベクトルであるのに注目しひし形の対角線が角を二等分する という定理をベースにした解です。
θ ϕ
2
$ %
3 4
17 [京都大・理] V V − = 3(
$3 &%%*=W−Wより 2$
2(
23=V + −V
=V +−V = V
2& 2*
24=W + −W
=W +−W = W
平面234の法線ベクトルをQ=D E Fとおくと
23= + = ⋅ D VF
Q Q⋅24=E+WF=
これよりD=−VFE=−WFとなりQ
(
VF WF F)
− − = − −= F V W すると点'を通りQを方向ベクトルにもつ直線はNを実数として
[ \ ] = +N V W − = VN WN − N
[\平面との交点は ]=−N=からN=となり [ \ ]=
(
V W)
さて線分$&上両端を含むの点は≦O≦として
[ \ ] =O + −O = O − O ここで条件より
(
V W)
=O −O となりO V
= ………① W=−O………② ①②より V+W=となりV+W= また≦O≦から≦W≦となり≦W≦
さらに<W<<V<と合わせると <W<である。
[解 説]
© 電送数学舎 2010 -18-
18 [広島大・文]
(1) 直線y xk 3 4
上 点 Q x 座標を t く ,
t tk
3 4 ,OQ ,
) 3 , 4 (
OP ,
t k
kt 3
3 4 3 4 OP
OQ
(2) ま , 直線 OP 方程式 , y x 4 3
あ , こ
直線 直交 直線 方程式 ,
k x y
3
4 , 4x3y3k0
………(*)
さ , OP OR 角を , OR OP方向
へ 正 射 影 ベ ク ト ル をOH , 鋭 角 ,
OH 5 cos OR OP OR
OP
ここ , 点 R , 領域( 5) ( 10) 16 2 2
≦
y
x
あ , 右 図 , OPOR 最 大
点R 点A 一致 あ , また最 点R 点B 一致
あ 。
い 場合も, 直線(*) ( 5) ( 10) 16 2 2
y
x 接 こ ,
4 3
4
3 10 3 5 4
2
2
k
, 503k 20
こ , 303k70, , (1) 結果を利用 , 70
OA
OP , OPOB30
わ , OPOR 最大値 70, 最 値 30 あ 。
[解 説]
く見 け 積 最大 最 問題 , (1) (2)へ 秀逸 誘 っ いま
。演習 価値あ 1題 。
O x
y
P
4 5 3
10
A
O 1 2 4 2 x y B A
19 [熊本大・医]
(1) 2 点B(1, 2, 0), C(2, 1, 2) 対 し , 線 分 BC をt:(1t) 分 点 を )
, , (
P x y z , 1 ) 1 (
2 t t t
x , 2yt2(1t)t , z2t
) 0 , 0 , 4 (
A , △OAP 面積S , 2 2 2 ) OP OA ( OP OA 2
1
S
( 1)2 ( 2)2 4 2
4( 1)
2 162
1
t t t t 2 (t2)24t2
4 4 5
2 2
t t
5 16 5 2 5
2 2 t
っ , 0<t<1 , 5 2
t , △OAP 面積 最 。
(2) 3点O, A, Pを通 平面 垂直 ベクトルをn(a, b, c) く ,
OA
n 4a0…… , nOPa(t1)b(t2)2ct0……
0
a , 代入 , b
t t c 2 2 ,
(0, 2, 2) 22 2 , ,
0
t t
t b b t t b n
こ , 点Cを通 , nを方向ベクトル 直線 , uをパラメ タ し ,
) 2 , 2 , 0 ( ) 2 , 1 , 2 ( ) , ,
(x y z u t t
xy平面 交点D , z0 し , 02u(t2) ,
t u
22 ,
, 0
2 3 2 , 2 ) 2 , 2 , 0 ( 2 2 ) 2 , 1 , 2 ( ) , , ( t t t t t z y x
っ ,
, 0
2 3 2 , 2 D t t
あ 。
さ , 直 線 AB 方 程 式 , ( 4) 3
2 x
y ,
直線x2 交点 , 3 4
y あ 。
こ , 点D △OAB 部 あ 条件 ,
3 4 2
3 2 0< <
t t
, 10<t< , 左側 不等式 成立し, 右側 不等式 ,
) 2 ( 4 ) 3 2 (
3 t < t ,
13 2 <
t
以上 ,
© 電送数学舎 2010 -20-
20 [東北大]
(1) PAPBPCPD ,
2 PD PC 2
PB
PA ,
PN
PM , PMPN0
こ , NM0 , 題意を満たさ い。
っ , 点P 存在し い。
(2) QAQB QCQD , (1) 同様 ,
QN QM
っ , 点Q 線分MN 垂直二等分面を描く。
(3) ま ,
2 2
2 2
MR MB MR
MA RB
RA
MA 2 MB 22 MR 22MAMR2MBMR 2 MA 22 MR 22
MAMB
MR2 MA 22 MR 2
同様 し ,
2 2
2 2
NR 2 NC 2 RD
RC 2 NC 22 MRMN 2 2 NC 22 MR 24MNMR2 MN 2
, RA 2 RB 2 RC 2 RD 2 , 2
2
MR 2 MA
2 2 NC 22 MR 24MNMR2 MN 2
っ ,
2 2
2
MA MN
NC MR MN
2 ……(*) , MNMR R
方 一定 あ 。
(4) 点Q 描く図形 点R 描く図形 一致 条件 , RM RN あ ,
2 2
MR MN
RM , RM 2 MN 22MNMR MR 2 (*)を代入し ,
2 2
2 2
2 2
MR MA
MN NC
MN
RM
0 NC
MA 2 2 , MA NC
っ , CD
2 1 AB 2
1 , AB CD
あ 。
[解 説]
(4)ま , うまく誘 い い 問題 。た , (3) 式変形 っ , 不運
ケ ス 出 く 可能性もあ ま 。
A
B
C D M
21 [九州大・文] 条件より 2$ 2% 2& JJJG JJJG JJJG G………①
また辺%&の中点を0とすると
2% 2& 20
JJJG JJJG JJJG
………②
①②より 2$ 20 JJJG JJJGG 20 2$JJJG JJJG
よって点$は線分20の中点となる。
·%$& nから $0 %0 %&
するとより 20JJJG となり△2%&に中線定理を適用して
2%JJJG 2&JJJG 20JJJG %0JJJG ………③ 条件より 3$JJJG 3%JJJG 3&JJJG を変形すると
2$ 23JJJG JJJG 2% 23JJJG JJJG 2& 23JJJG JJJG
2$JJJG および③から
2$ 23 JJJG JJJG¸ 23JJJG 2% 23 2& 23 23 JJJG JJJG¸ JJJG JJJG¸ JJJG
23JJJG 2$ 2% 2& 23 JJJG JJJG JJJG ¸JJJG
①より 23JJJG となり 23JJJG である。
[解 説]
誘導に従えばテクニカルな変形が不要であるように問題が構成されています。
2
$
電送数学舎 2011
−−
22 [広島大・理]
線分 $% を に内分する点が 2 に外分する
点が&より 3$JJJGDJG 3%JJJGEGとおくと
32 D E
JG G JJJG
3&D E
JG G JJJG
また 2%$%DE
JG G JJJG JJJG
点3は円6の内部にあるので %3& · > nとなり
3% 3&¸ ¸E D E
JG G JJJG JJJG G
< D E EJG G¸ < G
よって FRV
E E
D E
D E D E D
θ ¸
G G JG G
JG G < JG G JG
43JJJGNEG N> とおくと 4% JJJG N EG 4&NED E DNE
JG G JG G
JJJG G
点4は円6上の点より4% 4& ¸ N E ¸DNE
JG G JJJG JJJG G
となり
D EJG G¸ N EG D EJG G FRVθN EG
よって N EG EG DJG FRVθ から 34N EG E D FRVθ
G JG
となる。
3$ 3% から
の結果を用いると 34 FRV θ となりFRV FRV
%4 θ θ FRV %3 FRV %3
θ θ
¸
また %$%2から△4$% FRV θ ¸△32% FRV 32% θ △
条件より△4$% △32%なので FRV θとなり
FRVθ VLQ
θ
以上より△3$%3$ 3%VLQ¸ θ ¸ ¸ ¸
[解 説]
平面ベクトルの標準題です。計算量も適切なものです。
3 4 & $ 2 %
23 [千葉大・理] *は△$%&の重心より2*JJJG2$ 2% 2&JJJG JJJG JJJG ………①
条件から2*JJJG2$JJJGなので①に代入すると
2% 2& JJJG JJJG G
ここで辺 %& の中点を 0 とおくと 20JJJG2% 2&JJJG JJJG ……②から 20 JJJGG
となり△$%&の外心2は0と一致する。
したがって△$%&は· $ nの直角三角形である。
条件から 2*JJJGN2$JJJGなので①に代入すると
2% 2& JJJG JJJG N2$JJJG
ここで②から20JJJGN2$JJJGとなり Nvより 点2 $ 0は同一直線
上にある。一方 2 は△$%& の外心なので辺 %& の垂直二等分線上にあり
20 %&? である。
したがって $0 %&? となるので△$%& は$% $& の二等辺三角形である。
まず2と0が一致しないときより 20 %&? ………③
ここで条件より 2, %& JJG JJJG¸ なので 2, JJGGまたは2, %&? である。 L 2, JJGGのとき
2と,が一致し③より ,0 %&? である。 LL 2, %&? のとき
③より2,0は同一直線上にあり ,0 %&? である。
LLLより ,0 %&? である。
次に 2と0が一致するとき 2, %& JJG JJJG¸ からJJJG JJJG0, %& ¸ となり 0, JJJGvGなの で ,0 %&? である。
よっていずれの場合も,0 %&? でありこれより,% ,& となり
,%& ,&%
· · ,%& ,&%· · $%&· ·$&%
したがって△$%&は二等辺三角形である。
[解 説]
電送数学舎 2011
−−
24 [北海道大・理]
原点2 を通る円の方程式を [\D[ E\ ……①とおく。
①が$ % を通ることより
D E
………② D E………③
②③より D E となるので
点2$%を通る円の方程式は①より
[ \ [ \ [
\…………④
点2 $ a % a を通る
球面6はから[\平面との交線が④で表されるこ
とよりその中心を& F
とおくことができる。さて
6の半径をUとすると三平方の定理から
U F
よって
6の方程式は
[ \ ] F F
[ \ ] [ \ F] …………⑤
そこで直線O [ W \ W ] W と6の方程式⑤を連立して
W W W WW FW
W F W …………⑥
条件より⑥が実数解をもつので ' F
≧ となり
F F ≧ F F
≧以上より求める& D E F の条件は D E でF≦ ≦ である。F
[解 説]
現行課程ではあまり重視されていない部分ですが球面と平面や直線の交わりにつ
いての基本的な問題です。演習しておくことが望まれる一題です。
2 $a %a
25 [東北大・文] DJG EG D EJG G¸ より
FG SD TEJG G S DJG STD E T EJG G¸ G S ST T
D F D SD TEJG G¸ ¸JG JG G S DJG TD E SJG G¸ T
すると FG D FJG G¸ から SST T ……①
S T ……②
①②より SSS
S となり S> から
S
T
[ VD WEJG JG Gとおくと JG JGD [ V¸ WE [G JG¸ V W となる。 条件から≦D [JG JG¸ ≦ ≦E [G JG¸ ≦ なので
V W
≦ ≦ ………①≦V W ≦ ………②
ここでX V WY V W とおくとV X Y W X Y ①②より ≦ ≦X ≦ ≦ ………③Y
さて [JG V VW Wなので
\
^
[ X Y X Y X Y X Y
JG
X XY Y
すると③は右図の網点部となるので X Y
のとき [JG は最大値 をとる。 また [JG
X Y Y
からY をいったん固定すると [JG が最小となる
のは X Y Y X のときでありこの関係を満たしながら ≦ ≦ でY Y を変化させると X Y
で最小値をとる。以上より≦[JG ≦ となり≦ ≦[JG である。
[解 説]
成分表示を用いるかそのまま 次結合で計算を進めるかを迷いましたが後者の 立場で記しました。なお のXYへの置き換えは 文字固定という方法で最大・ 最小を求めるときに領域を長方形にしてわかりやすくするためです。
X Y
2
電送数学舎 2012 −−
26 [京都府医大] 直線Oは△$%&の外接円の接線なので
$%& &$'
· · ………①
直線3'は∠$'%の二等分線なので 3'% 4'$
· · ………②
①②より $%&· ·3'% ·&$' ·4'$ よって $34· ·$43より $3 $4 である。
△$34が正三角形より %$& · nとなり %2& · nである。
そこで条件より 2$JJJG[2%JJJG\2& JJJGGから 2%[JJJG\2&JJJG 2$JJJGとなり 2% 2& 2$
[JJJG\JJJG JJJG [ 2%JJJG 2% 2&[\JJJG JJJG¸ \ 2&JJJG 2$JJJG 2$JJJG 2%JJJG 2&JJJG Uとおくと
FRV
[ U [\U n \ U U [[\ \ ………③ また 2$ 2$ JJJGJJJJGaとすると2$a [2%\2&[ \ [ ¸ 2%[ \\2&
JJJG JJJG JJJG JJJG JJJJG
ここで点&は線分%'上にあるので線分%&の垂直二等分線に関し点$は %と反対側点$aは%と同じ側にある。よって [ \ となる。
③より[ \ [\となり
[\は自然数からL [ \ のとき [\より自然数[\の組は存在しない。
LL [ \ のとき [\より自然数[\の組は [ \ である。 LLL[ \ のとき [\より自然数[\の組は存在しない。
LY [ \ のとき [\より自然数[\の組は [ \ である。 Y [ \ のとき [\より自然数[\の組は存在しない。
YL [ \ のとき [\より自然数[\の組は存在しない。 L∼LYより [ \
より [ \ が最大になるものは [ \ であり 2$ 2% 2& JJJG JJJG JJJGG……④
こ こ で $2&· θ $2%· ϕ とおくと④より
2$ 2&JJJG JJJG 2%JJJG 2$ 2&JJJG JJJG 2%JJJG
U FRVU θU U
すると FRVθ となりVLQ
θ VLQ
θ ………⑤
よって $& VLQ
U θ U
………⑥
$
% & 3
4
' 2
O
$
% & 3 4
' 2
O
同様にして④より 2$ 2%JJJG JJJG 2&JJJGとなり
2$ 2&JJJG JJJG 2%JJJG U FRVU ϕUU すると FRVθ となり VLQ
ϕ VLQ
ϕ ………⑦
よって $% VLQ
U ϕ U
………⑧
そこで
U
N とおくと⑥⑧より $& N $% N となる。
さて直線$'は円2の接線より·'$& ·$%& · $2&θとなりまた
'&$ $2% ϕ
· n · n となるので△$&'に正弦定理を適用すると
'& '$
VLQ VLQ nϕ θ
'$ '& VLQ VLQϕ θ
⑥⑦より '$ '& VLQ VLQ ϕ θ
すると直線'3は∠$'%の二等分線なので $4 4& '$ '& よって $4$& ¸ N N
これより $3 N $% ¸ $%となるので△$%& と△$34 の面積を それぞれ66とすると
$4
$3
$% $& 6
6 ¸ ¸
[解 説]
電送数学舎 2012 −−
27 [一橋大] 3 4 V W 5 [ \ とおくと条
件より VW………① また線分35の中点が4より
[ V………②
\ W ………③ ②③を①に代入すると [ \ から
[ \
よって点5の軌跡の方程式は [\ ] 3 S T 4 V W 5 [ \ とおくと
条件より ST………④ また線分35の中点が4より
[ S V………⑤ \ T W ………⑥ ⑤⑥より SV [ TW \
④に代入すると V [ W \
[ V \ W ………⑦ さて点4が辺$%上にあるとき
V ≦ ≦W
⑦より [\ W となり点 5 は [\ 平面上で中心 W 半径 の円を描く。なお ≦ ≦ よりW 中心は点$ a と% a
を結ぶ線分上にある。
さらに点& a ' a とお き同様に考えると 4が正方形$%&'の辺上を動 くとき点 5 は中心が正方形$ % & 'a a a aの辺上で半 径がの円周上を動く。
すると点5の動きうる領域は右図の網点部とな りその面積を6とすると
\
^
6 π
π
[解 説]
年前によく見かけた問題です。はまず 4 を固定して 5 の変化をとらえ その状態を保ったまま4を動かすという手法です。
3
4
5 [
\ ]
2
3
4
5 [
\ ]
2
$ %
& '
$a
%a
&a 'a
[ \
2
28 [東京大・理]
(1) PAJJJG a, PBJJJG b, PCJJJG cとおくと, PC
PA PB 0
a b c
JJJG JJJG JJJG G
………①
①より, PA PB PC
a b c
JJJG JJJG JJJG
両辺の大きさをとって, PA PB PC
a b c
JJJG JJJG JJJG
PA PB 1
a b
JJJG JJJG
, PA 2 2PA PB PB 2 1
a a ¸ b b
JJJG JJJG JJJG JJJG
, 1 2abcos APB 1 1
ab
·
よって, cos APB 1 2
· より, ·APB120n
また, ①より, PA PC PB
a c b
JJJG
JJJG JJJG
とすると, 同様にして, ·APC120n
(2) (1)より, ·BPC120nとなり, △APB, △BPC, △CPAに余弦定理を適用して,
2 2 1
a b ab ……②, b2c2bc4……③, c2a2ca3……④
②より, (ab a)( 2b2ab) a b, a3b3 a b………⑤
③④より, 同様にすると,
3 3 4( )
b c bc ………⑥, c3a33(ca)………⑦
⑤+⑥+⑦より, 2a3b c 0, c 2a3b………⑧
③−④より, b2a2c b( a)1………⑨
⑧⑨より, b2a2 ( 2a3 )(b ba)1, a24b25ab1………⑩
②⑩より, 3b26ab0, b2a………⑪
②に代入すると, 7a21から, 1 7
a となり, ⑪⑧より,
2 7
b , 2 6 4
7 7 7
c
以上より, PA 1 7
JJJG
, PB 2 7
JJJG
, PC 4 7
JJJG
である。
[解 説]
(2)は, 余弦定理から得られた連立方程式を解くという方針を立てました。ただ, あ
まりにも解きにくく, 頂点Aを原点とする座標系を設定しようかと心が揺らぎました
が, 敢えて初心を貫きました。
A
B C
P 1
© 電送数学舎 2013
−30−
29 [九州大・理]
条件より, OAOC1, OA OCJJJG JJJG¸ 0 1
OA OP 4
¸
JJJG JJJG
, OC OP 1 2
¸
JJJG JJJG
さて, 点 M は辺 AP を2 : 1に内分する点, 点 N は辺 CPの中点より,
1 2
OM OA OP
3 3
JJJG JJJG JJJG
, ON 1OC 1OP
2 2
JJJG JJJG JJJG
ここで, Qは線分BCをt: 1tに分ける点とすると, PQJJJGOQJJJG JJJGOP(1t)OBJJJGtOCJJJG JJJGOP
(1 t)( OA OC ) tOC OP
JJJG JJJG JJJG JJJG (1t)OAJJJG JJJG JJJGOCOP
さて, 直線PQが平面OMNに垂直なので, PQ OMJJJG JJJG¸ 0となり, OPkとおくと,
(1t)OAJJJG JJJG JJJGOCOP ¸( OAJJJG2OP )JJJG 0
2
1 1 1
(1 ) 2(1 ) 2 2 0 4 2 4
t ¸ ¸ t k , 3 2 2 9
2t k 4………①
また, PQ ONJJJG JJJG¸ 0から, (1t)OAJJJG JJJG JJJGOCOP
¸( OCJJJG JJJGOP )02
1(1 ) 1 1 1 0 4 t 2 2 k ,
2 5
1
4tk 4 ………②
①②より, 1 4
t となり, 1 5
4
t から, 点QはBCを1 : 5に外分するので,
BQ : QC=1 : 5
また, 2 5 1 1
21 4 4 4 16k ¸ より, OP 21 21
16 4
k
[解 説]
t の値が負になり計算間違いをしたかと思いましたが, 問題をよく読むと, 「直線
BC 上の点 Q」と記されていました。このため, 上図の Q の位置は, 結論とは異なり
ます。
O
A B
C
P
N
M
30 [一橋大]
点A ( 2 , 2 , 0 )t t , B( 0, 0, t)に対して, P( ,x y z, )とおくと, OA OBJJJG JJJG¸ 0から, OP APJJJG JJJG JJJG JJJG JJJG JJJG¸ OP BP¸ AP BP¸
OP ( OP OA ) OP ( OP OB ) ( OP OA ) ( OP OB )
JJJG JJJG JJJG¸ JJJG JJJG JJJG¸ JJJG JJJG ¸ JJJG JJJG
2
3 OP 2( OA OB ) OP OA OB
JJJG JJJG JJJG JJJG JJJG JJJG ¸ ¸
2
2 OA OB
OA OB 3 OP
3 3
JJJG JJJG JJJG JJJG
JJJG
条件より, OP APJJJG JJJG JJJG JJJG JJJG JJJG¸ OP BP¸ AP BP¸ 3なので,
2
2 OA OB
OA OB
OP 1
3 9
JJJG JJJG JJJG JJJG
JJJG
………(*)
ここで, OA OB 2 , 2 , 1
3 3t 3t 3t
JJJG JJJG
となり,
2
2 2 2 2
OA OB 1
1 { ( 2 ) ( 2 ) } 1 1
9 9 t t t t
JJJG JJJG
すると, (*)から, 点Pは中心C 2 , 2 , 1
3t 3t 3t で半径2 1
r t の球面を描く。
このとき, OPの最大値は3なので, OC r 3となり, 0t から,
2 2 2 2 1 2 2
1 3 3t 3t 3t t ,
2 1 3
t t
0 t 3のもとで両辺を2乗すると, t2 1 9 6t t2となり, 4 3
t である。
[解 説]
球面のベクトル方程式が題材です。成分計算を最初から行うのは, 得策とはいえま
© 電送数学舎 2014 -32-
31 [北海道大・文]
(1) 条件 , BC : CD=1 :p , CD=pBC
。
また, 点O 辺BC 中点 ,
OD=OC+p( OC -OB )=(1+p)OC-pOB (1 p)OC pOC
= + + =( 2p+1)OC
(2) ま , BC=1 し も一般性を失うこ い。
こ , 条件 , AB AC 2
2
= = , CD=p , 方 定理 ,
DA DX⋅ =p p( +1)………
さ , DX=kDA く , ,
2
DA ( 1)
k = p p+ ………
また, △ABD 余弦定理を適用 ,
(
)
22 2 2 2
DA (1 ) 2 (1 ) cos45 2 p 2 p
= + + - ⋅ +
1 1 2 2 (1 ) 2 p p p
= + + + - + 1 (2 2 2 1)
2 p p
= + + ………
, 2 (2 1) 2 2 1
p p k
p p + =
+ + , DX : XA=k: 1-k ,
OX=kOA+ -(1 k)OD =kOA+ -(1 k)( 2p+1)OC
{
}
2 2
2 ( 1) 2 ( 1)
OA 1 ( 2 1)OC 2 2 1 2 2 1
p p p p
p
p p p p
+ +
= + - +
+ + + +
2 2
2 ( 1) 2 1 OA OC 2 2 1 2 2 1
p p p p p p p
+ +
= +
+ + + +
[解 説]
ベクトル 図形へ 応用問題 。点Oを原点 し, BCをx軸, OAをy軸 し
座標系を設定 方法も考え ま 。確実 , 計算量 多く し う。
A
B O C D
X
32 [東北大・理]
(1) 0≦t≦1 し , ON=OD+tDG
く , ON= -( 1, 0, 6 )+t( 0, 3, 0 )
( 1, 3 ,t 6 )
=
-また, M 2,
(
3, 0)
2 , MN=4 ,
(
)
22 3 2
( 3 ) 3 6 4 2
t
- + - + = , 9
(
1)
2 12
t- =
DN<GN 1 2
t< , 1 1 1 2 3 6
t= - = , N
(
1, 1, 6)
2
- あ 。
(2) E(1, 0, 6 ) , EM
(
1, 3, 6)
2=
-
, EN
(
2, 1, 0)
2=
-
あ , 点 P y
軸上 点 P( 0, p, 0 ) く , r, sを定数 し , EP=rEM+sEN
,
( 1,- p, - 6 )
(
1, 3, 6) (
2, 1, 0)
2 2r s
= - +
-1 r 2s
- = - …… , 3 1
2 2
p= r+ s…… , - 6= - 6r……
1
r= =s , p=2 , P( 0, 2, 0 ) あ 。
(3) (2) EP=EM +EN , 口 平行四辺形 , そ 面積S ,
(
)
2 2 2
EM EN EM EN
S= - ⋅
(
1 9 6)(
4 1) (
2 3)
24 4 4
= + + + - - +
2 2 629 25 4 4
= - 151
2
=
[解 説]
空間ベクトル 基本問題 。(2) 平面 パラメ タ表示を利用し いま ,
平行六面体 口 いうこ 注目し , (2) (3)を一気 処理 いう方法も
考え ま 。
O
A B
C F
D
E
G
M N
© 電送数学舎 2014 -34-
33 [東京大・理]
(1) Oを原点 し, OA, OC, ODをそ x軸, y軸, z軸
正 部分 , A (1, 0, 0 ) , C( 0, 1, 0 ) 。
条件 , AP=tan, CR=tan , P(1, 0, tan ) , R ( 0, 1, tan)
さ , OP // RQ , OR // PQ , 四角形 OPQR 平行四
辺形 , そ 面積S ,
(
)
2 2 2
OP OR OP OR
S= - ⋅
2 2 2
(1 tan )(1 tan ) ( tan tan )
= + +
-2 2
1 tan tan
= + +
(2) 条件 ,
4
+ = , tan( + )=1 , tan tan
1 1 tan tan
+ =
- , tan+tan = -1 tan tan ………
また, 7 6
S= , (1) , 1 tan2 tan2 49 36
+ + = ,
2 13
( tan tan ) 2 tan tan
36
+ - = ………
, ( tan tan )2 2{1 ( tan tan ) } 13 36
+ - - + = ,
2 85
( tan tan ) 2( tan tan ) 0 36
+ + + - =
(
tan tan 17)(
tan tan 5)
0 6 6+ + + - =
tan+tan>0 , tan tan 5 6
+ = ………
, tan tan 1 5 1 6 6
= - = ………
, , tan tan 2 次方程式
2 5 1 0 6 6
x - x+ = 2 解
,
(
1)(
1)
0 2 3x- x- = , 1, 1 2 3
x= あ 。
さ , ≦ , tan≦tan , tan 1 3
= あ 。
[解 説]
空 間 ベ ク ト ル 図 形 へ 応 用 問 題 。 誘 丁 寧 構 成 っ い ま 。 ,
図 四角柱 直方体 し 解い いま 。
O A
B P
Q R
D E
F G
34 [熊本大・医]
(1) 折 線 長さPM+MQ 最 OB上 点M ,
右 図 正四面体 OABC 展開図 い , 辺 OB
PQ 交点 あ 。
, OM : MB 1: 1 : 2 2 t t
= = ,
1 OM
2t 1b
= +
また, PN+NQ 最 OC上 点N 対し , 同 様 考 え , ON : NC 1: 1 1 : 2 2
2 t t
= - =
-, ON 1 3 2tc =
-
あ 。
(2) ま , △OBC
2 3
1 1 sin 2 3 4
= ⋅ ⋅ = ,
△OMN 1 1 OBC
2t 1 3 2t
= ⋅
+ - △ 1 3
( 2t 1)( 3 2 )t 4
= ⋅
+
-△BQM 2 OBC
2 1 1
t t t = ⋅ + △ 2 3 2 2 1 4
t t
= ⋅
+
△CQN 2 2 1 OBC
3 2 1
t t t
-
-= ⋅
- △
( 2 2 )(1 ) 3 3 2 4
t t t
-
-= ⋅
-っ , △QMN 面積をS く ,
{
2 ( 2 2 )(1 )}
3 1 1 24 ( 2 1)( 3 2 ) 2 1 3 2
t t t
S
t t t t
-
-= - + - - + -
-2 4 4 3
4 ( 2 1)( 3 2 )
t t t t
- +
= ⋅ + - 3 (1 )
( 2 1)( 3 2 )
t t t t
-=
+
-(3) (2) , 3 (12 ) 3 (1 ) 4 (1 ) 3 4 4 3
t t t t S
t t t t
-
-= = - +
- + + , (1u=t -t)
(
)
2 1 1 2 4
t
= - - +
く , 0< <t 1 , 0 1
4
u
< ≦ ,
(
)
3 3 1 3 4 3 4 4 3
u S
u u
= =
-+ +
っ , 1
4
u=
(
1)
2
t= , S 最大値 3 1 3
4 ⋅ =4 16 を 。
[解 説]
(3) , 普通 微分法を利用 いう方法もあ ま , 分母 分子 形 注目し
© 電送数学舎 2014 -36-
35 [東京医歯大]
(1) 点A ( cos , cos , sin ) , B(-cos , -cos , sin ) , C( cos , -cos , -sin ) ,
D(-cos , cos , -sin ) 対 し , そ xy 平 面 関 対 称 4 点 P( cos , cos , -sin ) , Q(-cos , -cos , -sin ) , R ( cos , -cos , sin ) ,
S(-cos , cos , sin ) を定 。
, 四 面 体 ABCD , 直 方 体 ARBS-PCQD
埋 込ま 。
ここ , 四面体 辺AB, AC, DC, DB xz平面 交点 , そ 辺 中点 , こ を K, L, M, N く , K ( 0, 0, sin ) , L( cos , 0, 0 ) ,
M( 0, 0, -sin ) , N (-cos , 0, 0 ) あ 。
こ , 四面体 xz 平面 口 ひし
形KLMN , そ 面積S( ) , 1
( ) 2cos 2sin 2sin cos 2
S = ⋅ ⋅ =
=sin 2 ………
っ ,
( )
sin 36 3 2
S = = あ 。
次 , 直方体ARBS-PCQD 体積をV1( ) く ,
2 2
1( ) ( 2cos ) 2sin 8 sin cos
V = ⋅ =
ま た, 4 四 面 体 ABSD, ABRC, CDPA, CDQB 合 同 あ , そ 体 積 を
2( )
V く ,
2 2
2( ) 1 1( 2 cos ) 2sin 4sin cos 3 2 3
V = ⋅ ⋅ =
こ , 四面体ABCD 体積V( ) ,
1 2
( ) ( ) 4 ( )
V =V - V
(
8 16)
sin cos2 8sin cos2 3 3 = - = ………
っ ,
( )
6V 8 sin cos2 1 3 6 6
= = あ 。
(2) , 0
2
< < け S( ) 最大値 ,
( )
sin 14 2
S = = あ 。
(3) , ( ) 8sin cos2 8sin (1 sin2 ) 3 3
V = = - 8 (sin sin3 ) 3
=
-ここ ,
3 ( )t = -t t
f ( 0< <t 1) く ,
2 ( )t 1 3t
¢ =
-f
, ( )f t 増減 右表 う , 1
3
t= 最大値2 3
9 を 。
t 0 … 1
3 … 1 ( )t
¢
f + 0 -
( )t
f 2 3
9
sin
-cos
- cos
sin K
L
M
N x
z
B S
R
A
Q
C P
っ , ( )V sin 1 3
= , 最大値 ( ) 8 2 3 16 3 3 9 27
V = ⋅ = を 。
[解 説]
解答例 記した う 4点P, Q, R, Sを設定し, 等面四面体 直方体 埋 込ま
いう知識 利用 ポイント ま 。同様 問題 , た え 1993 東大
や 2006 東工大 出題さ いま , こ 経験 け , 解法 糸