\(xy\) 平面において, \(2\) 点 B \(( -\sqrt{3} , -1 )\) , C \(( \sqrt{3} , -1 )\) に対し, 点 A は次の条件 (*) を満たすとする.
次の各問に答えよ.
【 解 答 】
(1)
外接円の半径を \(R\) とすれば, 正弦定理より
\[\begin{gather}
\dfrac{\text{BC}}{\sin \angle \text{BAC}} = \dfrac{2\sqrt{3}}{\dfrac{\sqrt{3}}{2}} = 2R \\
\text{∴} \quad R = 2
\end{gather}\]
外心は, BC の垂直二等分線である \(y\) 軸上にあり, B , C からの距離が \(2\) である点は, \(( 0 , 0 )\) , \(( 0 , -2 )\) .
したがって, 外接円の候補は, \(x^2 +y^2 = 4\) , \(x^2 +(y+2)^2 = 4\) の \(2\) つがあるが, A の \(y\) 座標が正となりうるのは, 前者のみ.
よって, 求める座標は
\[
\underline{( 0 , 0 )}
\]
(2)
A \(( p , q )\) とおくと, A の動く範囲は
\[
p^2 +q^2 = 4 \quad ( q \gt 0 ) \quad ... [1]
\]
垂心 H \(( X , Y )\) とおくと, \(\text{AH} \perp \text{BC}\) なので
\[
p = X \quad ... [2]
\]
また, \(\text{BH} \perp \text{AC}\) なので
\[\begin{align}
\overrightarrow{\text{BH}} \cdot \overrightarrow{\text{CA}} = \left( \begin{array}{c} X +\sqrt{3} \\ Y+1 \end{array} \right) \cdot \left( \begin{array}{c} p -\sqrt{3} \\ q+1 \end{array} \right) & = 0 \\
\left( p +\sqrt{3} \right) \left( p -\sqrt{3} \right) +(Y+1) (q+1) & = 0 \quad ( \ \text{∵} \ [2] \ ) \\
-q^2 +1 +(Y+1) (q+1) & = 0 \quad ( \ \text{∵} \ [1] \text{より}\ p^2 = 4 -q^2 \ ) \\
( q+1 ) ( 2 -q +Y ) & = 0
\end{align}\]
\(q+1 \neq 0\) なので
\[
q = Y+2 \quad ... [3]
\]
[1] に [2] [3] を代入して
\[
X^2 +(Y+2)^2 = 4 \quad ( Y \gt -2 )
\]
よって, 求める軌跡は
\[
\underline{\text{半円} \ : \ x^2 +(y+2)^2 = 4 \quad ( y \gt -2 )}
\]
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