入試数学コンテスト第5回第3問解答解説

第3問 [領域]

第3問

実数 a,ba,b に対して (a+cos⁡α−cos⁡β)2+(b−sin⁡α−sin⁡β)2  (0≦α,β≦π) (a + \cos \alpha - \cos \beta)^2 + (b - \sin \alpha - \sin \beta)^2 \; (0 \leqq \alpha , \beta \leqq \pi) の最小値を f(a,b)f(a,b) とおく。

(1) f(0,0)f(0,0) を求めよ。

(2) f(a,b)=0f(a,b) = 0 となる (a,b)(a,b) を abab 平面に図示したとき,その領域の面積を求めよ。

(3) f(a,b)≦4f(a,b) \leqq 4 となる (a,b)(a,b) を abab 平面に図示したとき,その図形の周長を求めよ。

第3問は領域の問題でした。

まずは三角関数を丁寧に計算する解法を紹介します。

第3問 (1)

(cos⁡α−cos⁡β)2+(sin⁡α+sin⁡β)2=cos⁡2α−2cos⁡αcos⁡β+cos⁡2β+sin⁡2α+2sin⁡αsin⁡β+sin⁡2β=2−2(cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β)=2−2cos⁡(α−β)\begin{aligned} & (\cos \alpha - \cos \beta)^2 + (\sin \alpha + \sin \beta)^2\\ &= \cos^2 \alpha -2 \cos \alpha \cos \beta + \cos^2 \beta + \sin^2 \alpha + 2 \sin \alpha \sin \beta + \sin^2 \beta\\ &= 2 - 2 (\cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta)\\ &= 2-2\cos (\alpha - \beta) \end{aligned} である。0≦α,β≦π0 \leqq \alpha , \beta \leqq \pi であることから −π≦α−β≦π-\pi \leqq \alpha - \beta \leqq \pi である。よって −1≦cos⁡(α−β)≦1-1 \leqq \cos (\alpha - \beta) \leqq 1 が従う。

こうして 2−2cos⁡(α−β)≧2−2=02 - 2 \cos (\alpha - \beta) \geqq 2 - 2 = 0 である。したがって f(0,0)=0f(0,0) = 0 である。

次の解法は最大最小を求めるときのテクニックの1つです。今回の場合は f(0,0)f(0,0) が必ず 00 以上であることがわかりますから,後は実際に 00 を取るような α,β\alpha , \beta を与えると良いというわけです。

第3問 (1) 別解

f(0,0)f(0,0) は (cos⁡α−cos⁡β)2+(sin⁡α+sin⁡β)2(\cos \alpha - \cos \beta)^2 + (\sin \alpha + \sin \beta)^2 の最小値である。まず (cos⁡α−cos⁡β)2+(sin⁡α+sin⁡β)2≧0(\cos \alpha - \cos \beta)^2 + (\sin \alpha + \sin \beta)^2 \geqq 0 である。

今,α=0,β=0\alpha = 0, \beta = 0 とすると,cos⁡α−cos⁡β=1−1=0\cos \alpha - \cos \beta = 1-1 =0,sin⁡α+sin⁡β=0+0=0\sin \alpha + \sin \beta = 0+0 =0 であるため,(cos⁡α−cos⁡β)2+(sin⁡α+sin⁡β)2(\cos \alpha - \cos \beta)^2 + (\sin \alpha + \sin \beta)^2 は 00 を取る。

こうして f(0,0)=0f(0,0) = 0 となる。

与えられた式は (a,b)(a,b) と (−cos⁡α+cos⁡β,sin⁡α+sin⁡β)(-\cos \alpha + \cos \beta , \sin \alpha + \sin \beta) の距離を表していることを踏まえると見通しが良くなります。

この視点を持つと,(1) は (−cos⁡α+cos⁡β,sin⁡α+sin⁡β)(-\cos \alpha + \cos \beta , \sin \alpha + \sin \beta) が (0,0)(0,0) を取りうることを調べる問題だとわかります。

次の問題も距離を意識するとわかりやすいです。

第3問 (2)

(a+cos⁡α−cos⁡β)2+(b−sin⁡α−sin⁡β)2(a + \cos \alpha - \cos \beta)^2 + (b - \sin \alpha - \sin \beta)^2 は xyxy 平面上で2点 (a,b)(a,b) と (−cos⁡α+cos⁡β,sin⁡α+sin⁡β)(- \cos \alpha + \cos \beta , \sin \alpha + \sin \beta) の距離の2乗である。

よって f(a,b)=0f(a,b) = 0 となる (a,b)(a,b) 領域は,α,β\alpha , \beta を任意に動かしたとき,(−cos⁡α+cos⁡β,sin⁡α+sin⁡β)(- \cos \alpha + \cos \beta , \sin \alpha + \sin \beta) の動く領域である。

−π≦α≦π,−π≦β≦π- \pi \leqq \alpha \leqq \pi , -\pi \leqq \beta \leqq \pi より (−cos⁡α,sin⁡α),(cos⁡β,sin⁡β)(-\cos \alpha , \sin \alpha) , (\cos \beta , \sin \beta) はそれぞれ半径 11 の円の上半分を動く。

中心が,原点を中心をする半径 11 の円の上半分となる半径 11 の円の上半分を動かして得られる軌跡,すなわち,(x−cos⁡β)2+(y−sin⁡β)2=1(x - \cos \beta)^2 + (y - \sin \beta)^2 = 1 の上半分について β\beta を動かして得られる軌跡として次の図を得る。

pic01

こうして求める面積は 4π⋅12−π⋅12⋅2=π4\pi \cdot \dfrac{1}{2} - \pi \cdot \dfrac{1}{2} \cdot 2 = \pi

やはり (3) も距離のイメージで解くべきでしょう。要は (2) で得られた領域を「拡張」することになります。

第3問(3)

(−cos⁡α+cos⁡β,sin⁡α+sin⁡β)(- \cos \alpha + \cos \beta , \sin \alpha + \sin \beta) との距離が2以下になる (a,b)(a,b) を考えればよいため,(2) で求めた図形を中心をする半径2の円の動く領域がを求めればよい。

b≧0b \geqq 0 のとき

a2+b2=4a^2 + b^2 = 4 の円周上を中心とすることで,原点を中心とする半径 4 の円盤の上半分が求める領域だとわかる。

b≦0b \leqq 0 のとき

(2) で求めた領域のうち b=0b = 0 上にある部分は (−2,0),(0,0),(2,0)(-2,0),(0,0),(2,0) の3点である。この3点を中心とする半径2の円を考えればよく,求める領域は b≦0b \leqq 0 かつ以下 (a−2)2+b2≦4a2+b2≦4(a+2)2+b2≦4 (a-2)^2 + b^2 \leqq 4\\ a^2 + b^2 \leqq 4\\ (a+2)^2 + b^2 \leqq 4 のいずれかを満たす部分である。

3つの円の交点を求める。(a−2)2+b2=4(a-2)^2 + b^2 = 4 と a2+b2=4a^2 + b^2 = 4 の交点は (1,±3)(1 , \pm \sqrt{3}),(a+2)2+b2=4(a+2)^2 + b^2 = 4 と a2+b2=4a^2 + b^2 = 4 の交点は (−1,±3)(-1 , \pm \sqrt{3}),(a−2)2+b2=4(a-2)^2 + b^2 = 4 と (a+2)2+b2=4(a+2)^2 + b^2 = 4 の交点は (0,0)(0,0) となる。こうして求める領域は b≦0b \leqq 0 かつ {(a+2)2+b2≦4(−2≦a≦−1)a2+b2≦4(−1≦a≦1)(a−2)2+b2≦4(1≦a≦2)\begin{cases} (a+2)^2 + b^2 \leqq 4 &(-2 \leqq a \leqq -1)\\ a^2+b^2 \leqq 4 &(-1 \leqq a \leqq 1)\\ (a-2)^2 + b^2 \leqq 4 &(1 \leqq a \leqq 2) \end{cases} である。

図示すると以下のようになる。

pic02

こうして外周は 4⋅π+2⋅(23π+13π+23π)=223π 4 \cdot \pi + 2 \cdot \left(\dfrac{2}{3} \pi + \dfrac{1}{3} \pi + \dfrac{2}{3} \pi\right) = \dfrac{22}{3} \pi となる。