【解答・解説】東大理系数学2026 第5問

東大理系数学2026 第5問

複素数平面上の原点を中心とする半径 11 の円を CC とする。 複素数 α\alpha と CC 上の点 P (z)\mathrm{P} \ (z) に対し,w=(z−α)3w = (z-\alpha)^3 とおく。 P\mathrm{P} が CC 上を動くときの点 Q (w)\mathrm{Q} \ (w) の軌跡を DD とする。

  1. α=−3\alpha=-3 とし,ww の偏角を θ\theta とおく。 PP が CC 上を動くとき,sin⁡θ\sin\theta がとりうる値の範囲を求めよ。

  2. α\alpha が次の条件を満たすように動く。 条件:D は実軸の正の部分および負の部分の両方と共有点を持つ。 \text{条件:} D \text{ は実軸の正の部分および負の部分の両方と共有点を持つ。} 複素数平面上の点 R (α)\mathrm{R} \ (\alpha) が動きうる範囲の面積を求めよ。

この記事では東大理系数学2026 第5問を解説します。

解答・解説

まずは計算からです。3乗に惑わされすぎないよう計算していきたいところ。

(1)

(1)

複素数 zz は実数 tt を用いて z=cos⁡t+isin⁡tz = \cos t + i \sin t と表される。

z−αz- \alpha の偏角を φ\varphi とおくと θ=3φ\theta = 3 \varphi である。よって sin⁡3θ=−4sin⁡3φ+3sin⁡φ \sin 3\theta = - 4 \sin^3 \varphi + 3\sin \varphi と表される。

z−α=z+3z-\alpha = z + 3 の軌跡は中心 33,半径 11 の円である。下図より −13≦sin⁡φ≦13 -\dfrac{1}{3} \leqq \sin \varphi \leqq \dfrac{1}{3} である。よって, f(x)=−4x3+3x f(x) = - 4x^3 + 3x とおくとき,−13≦x≦13- \dfrac{1}{3} \leqq x \leqq \dfrac{1}{3} の範囲で f(x)f(x) のとる値を求めればよい。

f′(x)=−12x2+3=−3(2x+1)(2x−1)f'(x) = -12x^2 + 3 = -3(2x+1)(2x-1) であるため,増減表は x−13⋯13f′(x)+++f(x)↗↗↗ \begin{array}{c|ccc} x & -\frac{1}{3} & \cdots & \frac{1}{3}\\ \hline f'(x) & + & + & + \\ f(x) & \nearrow & \nearrow & \nearrow \end{array} である。

よって,f(x)f(x) の最大値は f(13)=2327f\left( \dfrac{1}{3} \right) = \dfrac{23}{27},最小値は f(−13)=−2327f \left( -\dfrac{1}{3} \right) = - \dfrac{23}{27} となる。

こうして −2327≦sin⁡θ≦2327 -\dfrac{23}{27} \leqq \sin \theta \leqq \dfrac{23}{27} である。

(2)

(z−α)3(z-\alpha)^3 そのままでは扱いにくいですね。z−αz-\alpha がどのようになるのか考察することで解いていきましょう。対称性をつかめるかどうかがポイントです。

(2)

w=(z−α)3w = (z-\alpha)^3 が正の実数になるとき,z−αz - \alpha の偏角は 0, 23π, 43π0 , \ \dfrac{2}{3} \pi , \ \dfrac{4}{3} \pi になる。一方,w=(z−α)3w = (z-\alpha)^3 が負の実数になるとき,z−αz - \alpha の偏角は 13π, π, 53π\dfrac{1}{3} \pi , \ \pi , \ \dfrac{5}{3} \pi になる。

点 z−αz-\alpha の軌跡を CαC_{\alpha} とおく。CαC_{\alpha} は,中心 −α-\alpha 半径 11 の円周である。

n=0, 1, ⋯ , 5n = 0,\ 1,\ \cdots,\ 5 に対して,原点を始点として偏角 n3π\dfrac{n}{3}\pi の複素数からなる半直線を ℓn\ell_n により表す。

pic_line

このとき,求める条件は次の2つにより表される。

  • CαC_{\alpha} は ℓ0, ℓ2, ℓ4\ell_0,\ \ell_2,\ \ell_4 のいずれかと交わる。
  • CαC_{\alpha} は ℓ1, ℓ3, ℓ5\ell_1,\ \ell_3,\ \ell_5 のいずれかと交わる。

CαC_{\alpha} は中心 −α-\alpha 半径 11 の円であるため,CαC_{\alpha} と ℓ0\ell_0 が交わる α\alpha の条件は,−α-\alpha と ℓ0\ell_0 の距離が 11 以下であることとなる。よって,範囲は {∣α∣=1(Re (−α)<0)−1<Im (−α)<1(Re (−α)≧0)  ⟺  {∣α∣=1(Re (α)>0)−1<Im (α)<1(Re (α)≦0)\begin{aligned} &\begin{cases} |\alpha|=1 &(\mathrm{Re}\ (-\alpha) < 0)\\ -1 < \mathrm{Im}\ (-\alpha) < 1 & (\mathrm{Re}\ (-\alpha) \geqq 0) \end{cases}\\ \iff &\begin{cases} |\alpha|=1 &(\mathrm{Re}\ (\alpha) > 0)\\ -1 < \mathrm{Im}\ (\alpha) < 1 & (\mathrm{Re}\ (\alpha) \leqq 0) \end{cases} \end{aligned} である。よって,軌跡は下図のようになる。

pic_l1

※ −1-1 倍する過程で向きが逆になって見えることに注意

同様に考えることで CαC_{\alpha} と ℓn\ell_n が交わるとき,α\alpha の動く範囲は,上図の領域を n3π\dfrac{n}{3} \pi 回転させた領域であることが分かる。

よって,CαC_{\alpha} は ℓ0, ℓ2, ℓ4\ell_0,\ \ell_2,\ \ell_4 のいずれかと交わるとき,α\alpha の動く範囲は下図のようになる。

pic_l024

同様に CαC_{\alpha} は ℓ1, ℓ3, ℓ5\ell_1,\ \ell_3,\ \ell_5 のいずれかと交わるとき,α\alpha の動く範囲は下図のようになる。

pic_l135

これらの共通部分の面積を求めればよい。共通部分は下図のようになる。

pic_cap

この領域は図のように1辺 23\dfrac{2}{\sqrt{3}} の正三角形を12個並べたものであるため,面積は 34×(23)2×12=43 \dfrac{\sqrt{3}}{4} \times \left( \dfrac{2}{\sqrt{3}} \right)^2 \times 12 = 4\sqrt{3} である。

pic_penta

答えはなんてことないものになりますが,やはり3乗に軌跡ときてギョッとしてしまった受験生も多かったと思います。