tan を用いた図形の問題~防衛医科2024から

問題(防衛医科2024)

△ABC\triangle \mathrm{ABC} があり ∠A=518π\angle \mathrm{A} = \dfrac{5}{18} \pi,∠B=59π\angle \mathrm{B} = \dfrac{5}{9}\pi,∠C=π6\angle \mathrm{C} = \dfrac{\pi}{6} である。辺 BC\mathrm{BC} 上に ∠BAD=π6\angle \mathrm{BAD} = \dfrac{\pi}{6} を取り B\mathrm{B} から辺 AC\mathrm{AC} に下した垂線との交点を H\mathrm{H} とし BH\mathrm{BH} と AD\mathrm{AD} の交点を E\mathrm{E} とする。

  1. tan⁡518πtan⁡718πtan⁡π3tan⁡49π\dfrac{\tan \dfrac{5}{18} \pi \tan \dfrac{7}{18} \pi}{\tan \dfrac{\pi}{3} \tan \dfrac{4}{9} \pi} を求めよ。
  2. ∠CEH\angle \mathrm{CEH} を求めよ。

解法1

まずは誘導にしたがって計算する方法を紹介します。

三角関数の積の形があると「積和」を使いたくなりますね。しかし tan⁡\tan には積和がありません。

そのような場合は tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan \theta = \dfrac{\sin \theta}{\cos \theta} によって積和が使える形に変形すると良いです。

問1

簡単のために度数法で計算する。

tan⁡(90∘−θ)=1tan⁡θ\tan \left( 90^{\circ} - \theta \right) = \dfrac{1}{\tan \theta} であるため tan⁡50∘tan⁡70∘tan⁡60∘tan⁡80∘=tan⁡10∘tan⁡50∘tan⁡70∘tan⁡60∘=13sin⁡10∘sin⁡50∘sin⁡70∘cos⁡10∘cos⁡50∘cos⁡70∘\begin{aligned} &\dfrac{\tan 50^{\circ} \tan 70^{\circ}}{\tan 60^{\circ} \tan 80^{\circ}}\\ &= \dfrac{\tan 10^{\circ} \tan 50^{\circ} \tan 70^{\circ}}{\tan 60^{\circ}}\\ &= \dfrac{1}{\sqrt{3}} \dfrac{\sin 10^{\circ} \sin 50^{\circ} \sin 70^{\circ}}{\cos 10^{\circ} \cos 50^{\circ} \cos 70^{\circ}} \end{aligned}

積和の公式を繰り返し用いると sin⁡10∘sin⁡50∘sin⁡70∘=12(cos⁡40∘−cos⁡60∘)sin⁡70∘=14(sin⁡110∘+sin⁡30∘)−14sin⁡70∘=sin⁡30∘cos⁡10∘cos⁡50∘cos⁡70∘=12(cos⁡40∘+cos⁡60∘)cos⁡70∘=14(cos⁡110∘+cos⁡30∘)+14cos⁡70∘=14cos⁡30∘\begin{aligned} &\sin 10^{\circ} \sin 50^{\circ} \sin 70^{\circ}\\ &= \dfrac{1}{2} (\cos 40^{\circ} - \cos 60^{\circ}) \sin 70^{\circ}\\ &= \dfrac{1}{4} (\sin 110^{\circ} + \sin 30^{\circ}) - \dfrac{1}{4} \sin 70^{\circ}\\ &= \sin 30^{\circ}\\ & \cos 10^{\circ} \cos 50^{\circ} \cos 70^{\circ}\\ &= \dfrac{1}{2} (\cos 40^{\circ} + \cos 60^{\circ}) \cos 70^{\circ}\\ &= \dfrac{1}{4} (\cos 110^{\circ} + \cos 30^{\circ}) + \dfrac{1}{4} \cos 70^{\circ}\\ &= \dfrac{1}{4} \cos 30^{\circ} \end{aligned} となる。

よって tan⁡50∘tan⁡70∘tan⁡60∘tan⁡80∘=131838=13\begin{aligned} \dfrac{\tan 50^{\circ} \tan 70^{\circ}}{\tan 60^{\circ} \tan 80^{\circ}} &= \dfrac{1}{\sqrt{3}} \dfrac{\frac{1}{8}}{\frac{\sqrt{3}}{8}}\\ &= \dfrac{1}{3} \end{aligned} である。

次は tan⁡θ=yx\tan \theta = \dfrac{y}{x} という定義を思い出して,線分の比を追跡して計算を行います。

式に如何にうまく tan⁡518πtan⁡718πtan⁡π3tan⁡49π\dfrac{\tan \dfrac{5}{18}\pi \tan \dfrac{7}{18}\pi}{\tan \dfrac{\pi}{3} \tan \dfrac{4}{9}\pi} を作ることができるかがミソです。

問2

pic1

tan⁡∠CEH=CHEH\tan \angle \mathrm{CEH} = \dfrac{\mathrm{CH}}{\mathrm{EH}} である。ここで CH=BHtan⁡∠CBH=AHtan⁡∠BAHtan⁡∠CBH=AHtan⁡518πtan⁡π3EH=AHtan⁡∠EAH=AHtan⁡π9\begin{aligned} \mathrm{CH} &= \mathrm{BH} \tan \angle \mathrm{CBH}\\ &=\mathrm{AH} \tan \angle \mathrm{BAH} \tan \angle \mathrm{CBH}\\ &= \mathrm{AH} \tan \dfrac{5}{18}\pi \tan \dfrac{\pi}{3}\\ \mathrm{EH} &= \mathrm{AH} \tan \angle \mathrm{EAH}\\ &= \mathrm{AH} \tan \dfrac{\pi}{9} \end{aligned}

よって tan⁡∠BEH=tan⁡518πtan⁡π3tan⁡π9=tan⁡518πtan⁡718πtan⁡π3tan⁡49πtan⁡2π3tan⁡49π=13⋅3tan⁡49π=tan⁡49π\begin{aligned} \tan \angle \mathrm{BEH} &= \dfrac{\tan \dfrac{5}{18}\pi \tan \dfrac{\pi}{3}}{\tan \dfrac{\pi}{9}}\\ &= \dfrac{\tan \dfrac{5}{18}\pi \tan \dfrac{7}{18}\pi}{\tan \dfrac{\pi}{3} \tan \dfrac{4}{9}\pi} \tan^2 \dfrac{\pi}{3} \tan \dfrac{4}{9} \pi\\ &= \dfrac{1}{3} \cdot 3 \tan \dfrac{4}{9}\pi\\ &= \tan \dfrac{4}{9} \pi \end{aligned} (途中 tan⁡(π2−θ)=1tan⁡θ\tan \left( \dfrac{\pi}{2} - \theta \right) = \dfrac{1}{\tan \theta} を用いた)

0<∠BEH<π20 < \angle \mathrm{BEH} < \dfrac{\pi}{2} であるため ∠BEH=49π\angle \mathrm{BEH} = \dfrac{4}{9} \pi である。

解法2

三角関数を用いない初等的な方法で計算してみましょう。

簡単のために度数法で計算する。

pic02

O\mathrm{O} を △ABC\triangle \mathrm{ABC} の外心とする。

このとき OA=OB=OC\mathrm{OA} = \mathrm{OB} = \mathrm{OC} である。

円周角の定理より ∠AOC=360∘−2⋅100∘=160∘\angle \mathrm{AOC} = 360^{\circ} - 2 \cdot 100^{\circ} = 160^{\circ} である。ゆえに ∠OAC=∠OCA=10∘\angle \mathrm{OAC} = \angle \mathrm{OCA} = 10^{\circ} となる。

∠BAE=30∘=20∘+10∘=∠OAE\angle \mathrm{BAE} = 30^{\circ} = 20^{\circ} + 10^{\circ} = \angle \mathrm{OAE},AB=AO\mathrm{AB} = \mathrm{AO},AE=AE\mathrm{AE} = \mathrm{AE} より △ABE≡AOE\triangle \mathrm{ABE} \equiv \mathrm{AOE} である。よって BE=OE\mathrm{BE} = \mathrm{OE} である。

さて ∠BAO=60∘\angle \mathrm{BAO} = 60^{\circ} である。△OAB\triangle \mathrm{OAB} は二等辺三角形であるため,正三角形となる。よって ∠ABO=60∘\angle \mathrm{ABO} = 60^{\circ} であるため ∠OBC=40∘\angle \mathrm{OBC} = 40^{\circ} である。こうして ∠OBE=20∘\angle \mathrm{OBE} = 20^{\circ} である。

BE=OE\mathrm{BE} = \mathrm{OE} であったため, ∠OEH=∠EBO+∠EOB=2∠OBE=40∘=30∘+10∘=∠BCA+∠ACO=∠BCO\begin{aligned} \angle \mathrm{OEH} &= \angle \mathrm{EBO} + \angle \mathrm{EOB}\\ &= 2 \angle \mathrm{OBE}\\ &= 40^{\circ}\\ &= 30^{\circ} + 10^{\circ}\\ &= \angle \mathrm{BCA} + \angle \mathrm{ACO}\\ &= \angle \mathrm{BCO} \end{aligned} を得る。こうして O\mathrm{O},B\mathrm{B},C\mathrm{C},E\mathrm{E} は共円である。

円周角の定理より ∠BEC=∠BOC=180∘−2⋅40∘=100∘ \angle \mathrm{BEC} = \angle \mathrm{BOC} = 180^{\circ} - 2\cdot40^{\circ} = 100^{\circ} である。

こうして ∠CEH=180∘−100∘=80∘\angle \mathrm{CEH} = 180^{\circ} - 100^{\circ} = 80^{\circ} を得る。

AB\mathrm{AB} が正三角形となるように3つめの頂点を取ると,それがなんと △ABC\triangle \mathrm{ABC} の外心になってしまうことがミソです。

初等的に図形の問題が解けると気持ちいいですね。