第5問
以下の文章の空欄に適切な数、式または数学記号を入れて文章を完成させよ。
空間に一辺の長さLの正四面体OABCがある。点Oを始点とする点A、B、C
の位置ベクトルをそれぞれ$\small\sf{\overrightarrow{\sf a}\ ,\ \overrightarrow{\sf b}\ ,\ \overrightarrow{\sf c} }$ とする。定数p、qに対して、点Xが内積に
ついての条件 $\small\sf{\overrightarrow{\sf a}\cdot\overrightarrow{\sf OX}=p}$ および $\small\sf{\overrightarrow{\sf b}\cdot\overrightarrow{\sf OX}=q}$ を満たしながら動くとき、点Xの
集合は直線をなす。この直線の長さ1の方向ベクトルは $\small\sf{\overrightarrow{\sf u}}$ =± ア である。
このとき、直線は媒介変数tと定数 $\small\sf{\alpha\ ,\ \beta}$ を用いて $\small\sf{\overrightarrow{\sf OX}=t\overrightarrow{\sf u}+\alpha\overrightarrow{\sf a}+\beta\overrightarrow{\sf b}}$ の形
に書ける。 $\small\sf{\alpha}$ と $\small\sf{\beta}$ をp、q、Lを用いて表すと $\small\sf{\alpha}$ = イ 、$\small\sf{\beta}$ = ウ となる。
--------------------------------------------
【解答】
ア $\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \frac{1}{\sqrt6\ L}\left(\overrightarrow{\sf a}+\overrightarrow{\sf b}-3\overrightarrow{\sf v}\right) \end{align*}}$ イ $\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \frac{2}{3L^2}\left(2p-q\right)\end{align*}}$ ウ $\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \frac{2}{3L^2}\left(2q-p\right)\end{align*}}$
【解説】
四面体OABCは一辺がLの正四面体なので
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf |\overrightarrow{\sf a}|=|\overrightarrow{\sf b}|=|\overrightarrow{\sf c}|=L \end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \overrightarrow{\sf a}\cdot\overrightarrow{\sf b}=\overrightarrow{\sf b}\cdot\overrightarrow{\sf c}=\overrightarrow{\sf c}\cdot\overrightarrow{\sf a}=L^2\cos\frac{\pi}{3}=\frac{L^2}{2}\end{align*}}$
実数x、y、zを用いて
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \overrightarrow{\sf OX}=x\overrightarrow{\sf a}+y\overrightarrow{\sf b}+z\overrightarrow{\sf c}\end{align*}}$
とおくと、与えられた条件式より
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf p&=\sf\overrightarrow{\sf a}\cdot\left(x\overrightarrow{\sf a}+y\overrightarrow{\sf b}+z\overrightarrow{\sf c}\right) \\ &=\sf x|\overrightarrow{\sf a}|^2+y\overrightarrow{\sf a}\cdot\overrightarrow{\sf b}+z\overrightarrow{\sf c}\cdot\overrightarrow{\sf a}\\ &=\sf \frac{L^2}{2}\left(2x+y+z\right)\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf q&=\sf\overrightarrow{\sf b}\cdot\left(x\overrightarrow{\sf a}+y\overrightarrow{\sf b}+z\overrightarrow{\sf c}\right) \\ &=\sf x\overrightarrow{\sf a}\cdot\overrightarrow{\sf b}+y|\overrightarrow{\sf b}|^2+z\overrightarrow{\sf b}\cdot\overrightarrow{\sf c}\\ &=\sf \frac{L^2}{2}\left(x+2y+z\right)\end{align*}}$
これら2式を連立させてx、yについて解くと、
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf x=\frac{2}{3L^2}\left(2p-q\right)-\frac{z}{3}\ ,\ \ y=\frac{2}{3L^2}\left(2q-p\right)-\frac{z}{3}\end{align*}}$
となるので、
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \overrightarrow{\sf OX}&=\sf\left\{\frac{2}{3L^2}\left(2p-q\right)-\frac{z}{3}\right\}\overrightarrow{\sf a}+\left\{\frac{2}{3L^2}\left(2q-p\right)-\frac{z}{3}\right\}\overrightarrow{\sf b}+z\overrightarrow{\sf c} \\ &=\sf -\frac{1}{3}\left(\overrightarrow{\sf a}+\overrightarrow{\sf b}-3\overrightarrow{\sf c}\right)z+\frac{2}{3L^2}\left(2p-q\right)\overrightarrow{\sf a}+\frac{2}{3L^2}\left(2q-p\right)\overrightarrow{\sf b}\\ &=\sf \end{align*}}$
ここで、
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \left|\overrightarrow{\sf a}+\overrightarrow{\sf b}-3\overrightarrow{\sf c}\right|^2&=\sf |\overrightarrow{\sf a}|^2+|\overrightarrow{\sf b}|^2+9|\overrightarrow{\sf c}|^2+2\overrightarrow{\sf a}\cdot\overrightarrow{\sf b}-6\overrightarrow{\sf b}\cdot\overrightarrow{\sf c}-6\overrightarrow{\sf c}\cdot\overrightarrow{\sf a} \\ &=\sf L^2+L^2+9L^2+L^2-3L^2-3L^2\\ &=\sf 6L^2\end{align*}}$
なので、
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \overrightarrow{\sf u}=\pm\frac{1}{\sqrt6\ L}\left(\overrightarrow{\sf a}+\overrightarrow{\sf b}-3\overrightarrow{\sf c}\right)\ ,\ \ t=\frac{\sqrt6\ L}{3}z \end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \alpha=\frac{2}{3L^2}\left(2p-q\right)\ ,\ \ \beta=\frac{2}{3L^2}\left(2q-p\right) \end{align*}}$
とおくと、
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \overrightarrow{\sf OX}=t\overrightarrow{\sf u}+\alpha\overrightarrow{\sf a}+\beta\overrightarrow{\sf b}\ \ \ \ \left(|\overrightarrow{\sf u}|=1\right)\end{align*}}$
を満たすことになる。
テーマ:数学 - ジャンル:学問・文化・芸術
- 2018/07/26(木) 23:57:00|
- 大学入試(数学) .関西の公立大学 .奈良県立医大 2018(前期)
-
| トラックバック:0
-
| コメント:0
第6問
以下の問に答えよ。
(1) xの整式x4+2x3+2x2+2x+1を因数分解せよ。
(2) どのような正整数nに対しても、n4+2n3+2n2+2n+1は平方数ではないことを
証明せよ。ただし、平方数とはある正整数mを用いてm2と表される正整数のことである。
--------------------------------------------
【解答】
(1)
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf x^4+2x^3+2x^2+2x+1&=\sf \left(x+1\right)\left(x^3+x^2+x+1\right) \\ &=\sf \underline{\left(x+1\right)^2\left(x^2+1\right)}\end{align*}}$
(2)
(1)より
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf n^4+2n^3+2n^2+2n+1=\left(n+1\right)^2\left(n^2+1\right)\end{align*}}$
となり、これが平方数となるためには、n2+1が平方数であればよい。
$\scriptsize\sf{n^2+1=k^2}$ を満たす自然数kが存在すると仮定すると、この式は
$\scriptsize\sf{\left(k-n\right)\left(k+n\right)=1}$
と変形でき、k、nは整数なので、
$\scriptsize\sf{\left(k-n,k+n\right)=\left(1,1\right),\ \left(-1,-1\right)}$
これを満たすのはn=0のときなので、nが正であることに矛盾する。
よって、$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf n^4+2n^3+2n^2+2n+1\end{align*}}$ は平方数とはならない。
テーマ:数学 - ジャンル:学問・文化・芸術
- 2018/07/27(金) 23:57:00|
- 大学入試(数学) .関西の公立大学 .奈良県立医大 2018(前期)
-
| トラックバック:0
-
| コメント:0