第4問
座標平面上の1点 $\small\sf{\begin{align*}\sf P\left(\frac{1}{2}\ ,\ \frac{1}{4}\right)\end{align*}}$ をとる。放物線 y=x2 上の2点
$\small\sf{\sf Q\left(\alpha,\alpha^2\right)\ ,\ R\left(\beta,\beta^2\right)}$ を3点P、Q、RがQRを底辺とする
二等辺三角形をなすように動かすとき、△PQRの重心G(X,Y)
の軌跡を求めよ。
--------------------------------------------
【解答】

点Gは△PQRの重心なので、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \left(X\ {,}\ Y\right)=\left(\frac{\alpha + \beta + \frac{1}{2}}{3}\ {,}\ \frac{\alpha^2 + \beta^2 + \frac{1}{4}}{3}\right)\end{align*}}$
すなわち、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \alpha + \beta =3X- \frac{1}{2} \\ \alpha^2 + \beta^2 =3Y- \frac{1}{4}\end{align*}}$ ……①
また、PQ2=RQ2より、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \left(\alpha - \frac{1}{2}\right)^2 + \left( \alpha^2 - \frac{1}{4}\right)^2=\left(\beta - \frac{1}{2}\right)^2 + \left( \beta^2 - \frac{1}{4}\right)^2\end{align*}}$
簡単にすると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf (\alpha + \beta-1)(\alpha -\beta)=-\left(\alpha^2 + \beta^2- \frac{1}{2}\right)(\alpha + \beta)(\alpha-\beta)\end{align*}}$
QとRは一致しないので $\scriptsize\sf{\alpha}$ ≠$\scriptsize\sf{\beta}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \left(\alpha^2 + \beta^2- \frac{1}{2}\right)(\alpha + \beta)=-(\alpha + \beta)+1\end{align*}}$
また、$\scriptsize\sf{\alpha}$ +$\scriptsize\sf{\beta}$ =0のときは、上式が成り立たないので、$\scriptsize\sf{\alpha}$ +$\scriptsize\sf{\beta}$ ≠0
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \alpha^2 + \beta^2- \frac{1}{2}=-1+\frac{1}{\alpha + \beta}\end{align*}}$
ここで、①を代入して整理すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf Y=-\frac{1}{12}+\frac{1}{9\left(X-\frac{1}{6}\right)}\end{align*}}$ ……②
これは、2直線 $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf X=\frac{1}{6}\end{align*}}$ 、 $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf y=-\frac{1}{12}\end{align*}}$ を漸近線とする双曲線を表す。

この双曲線は点Pを通り、△PQRの重心Gは明らかに
放物線y=x2の内部にあるので、
求めるGの軌跡は、
双曲線の一部分(右図)
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \underline{y=-\frac{1}{12}+\frac{1}{9\left(x-\frac{1}{6}\right)}\ \ \left(\frac{1}{6}<\sf x<\frac{1}{2} \right)}\end{align*}}$
変域の部分は少しごまかした感じなので、もう少し丁寧に書いておくと、
$\scriptsize\sf{\alpha}$ 、$\scriptsize\sf{\beta}$ は t についての二次方程式 t2-($\scriptsize\sf{\alpha}$ +$\scriptsize\sf{\beta}$ )t+$\scriptsize\sf{\alpha}$ $\scriptsize\sf{\beta}$ =0 の異なる2つの実数解なので、
判別式をDとすると、
D=(+$\scriptsize\sf{\beta}$ )2-4$\scriptsize\sf{\alpha}$ $\scriptsize\sf{\beta}$
=2($\scriptsize\sf{\alpha}$ 2+$\scriptsize\sf{\beta}$ 2)-($\scriptsize\sf{\alpha}$ +$\scriptsize\sf{\beta}$ )2>0
これに①を代入して整理すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf 18\left(X-\frac{1}{6} \right)^2-12Y+1<0\end{align*}}$
②を代入して整理すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf 27\left(X-\frac{1}{6} \right)^2+3-\frac{2}{X-\frac{1}{6}}<0\end{align*}}$
分母を払うため、両辺に$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \left(X-\frac{1}{6} \right)^2\end{align*}}$ をかけると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf 27\left(X-\frac{1}{6} \right)^4+3\left(X-\frac{1}{6} \right)^2-2\left(X-\frac{1}{6} \right)<0\end{align*}}$
簡単のために $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf s=X-\frac{1}{6} \end{align*}}$ とおいて因数分解すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf s(3s-1)(9s^2+3s+2)<0\end{align*}}$
ここで、$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf 9s^2+3s+2=9\left(s+\frac{1}{6}\right)^2+\frac{7}{4}\gt0\end{align*}}$ なので、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf 0\lt s<\frac{1}{3}\end{align*}}$
よって、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{1}{6}\lt X<\frac{1}{2}\end{align*}}$
テーマ:数学 - ジャンル:学問・文化・芸術
- 2018/11/19(月) 01:04:00|
- 大学入試(数学) .関東の大学 .東京大 理系 2011
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