筑波大理系2014:第3問


関数 \(f(x) = e^{-\frac{x^2}{2}}\) を \(x \gt 0\) で考える. \(y = f(x)\) のグラフの点 \(\left( a , f(a) \right)\) における接線を \(\ell _ a\) とし, \(\ell _ a\) と \(y\) 軸との交点を \(( 0 , Y(a) )\) とする. 以下の問いに答えよ. ただし, 実数 \(k\) に対して \(\displaystyle\lim _ {t \rightarrow \infty} t^k e^{-t} = 0\) であることは証明なしで用いてもよい.

  1. (1) \(Y(a)\) がとりうる値の範囲を求めよ.

  2. (2) \(0 \lt a \lt b\) である \(a , b\) に対して, \(\ell _ a\) と \(\ell _ b\) が \(x\) 軸上で交わるとき, \(a\) のとりうる値の範囲を求め, \(b\) を \(a\) で表せ.

  3. (3) (2) の \(a , b\) に対して, \(Z(a) = Y(a) -Y(b)\) とおく. \(\displaystyle\lim _ {a \rightarrow +0} Z(a)\) および \(\displaystyle\lim _ {a \rightarrow +0} \dfrac{Z'(a)}{a}\) を求めよ.


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筑波大理系2014:第4問


平面上の直線 \(\ell\) に同じ側で接する \(2\) つの円 \(C _ 1 , C _ 2\) があり, \(C _ 1\) と \(C _ 2\) も互いに外接している. \(\ell , C _ 1 , C _ 2\) で囲まれた領域内に, これら \(3\) つと互いに接する円 \(C _ 3\) を作る. 同様に \(\ell , C _ n , C _ {n+1} \ ( n = 1, 2, 3, \cdots )\) で囲まれた領域内にあり, これら \(3\) つと互いに接する円 \(C _ {n+2}\) とする. 円 \(C _ n\) の半径を \(r _ n\) とし, \(x _ n = \dfrac{1}{\sqrt{r _ n}}\) とおく. このとき, 以下の問いに答えよ. ただし, \(r _ 1 = 16\) , \(r _ 2 = 9\) とする.

  1. (1) \(\ell\) が \(C _ 1 , C _ 2 , C _ 3\) と接する点を, それぞれ \(A _ 1 , A _ 2 , A _ 3\) とおく. 線分 \(A _ 1 A _ 2 , A _ 1 A _ 3 , A _ 2 A _ 3\) の長さおよび \(r _ 3\) の値を求めよ.

  2. (2) ある定数 \(a , b\) に対して \(x _ {n+2} = a x _ {n+1} +b x _ n \ ( n = 1, 2, 3, \cdots )\) となることを示せ. \(a , b\) の値も求めよ.

  3. (3) (2) で求めた \(a , b\) に対して, \(2\) 次方程式 \(t^2 = at +b\) の解を \(\alpha , \beta \ ( \alpha \gt \beta )\) とする. \(x _ 1 = c {\alpha}^2 +d {\beta}^2\) を満たす有理数 \(c , d\) の値を求めよ. ただし, \(\sqrt{5}\) が無理数であることは証明なしで用いてよい.

  4. (4) (3) の \(c , d , \alpha , \beta\) に対して, \[ x _ n = c {\alpha}^{n+1} +d {\beta}^{n+1} \quad ( n = 1, 2, 3, \cdots ) \] となることを示し, 数列 \(\{ r _ n \}\) の一般項を \(\alpha , \beta\) を用いて表せ.

tbr20140401
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筑波大理系2014:第5問


実数を成分とする正方行列 \[ A = \left( \begin{array}{cc} a & b \\ c & d \end{array} \right) , \ B = \left( \begin{array}{cc} 1 & 1 \\ -1 & 2 \end{array} \right) , \ E = \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right) \] について, 以下の問いに答えよ.

  1. (1) \(AB = BA\) を満たす \(A\) は, \(x , y\) を用いて \(A = x B +y E\) と表せることを示せ.

  2. (2) \(A^3 = E\) のとき \[ ( t^2 -\Delta ) A = ( t \Delta +1 ) E \] を示せ. ただし, \(t = a+d\) , \(\Delta = ad -bc\) とする.

  3. (3) \(AB = BA\) かつ \(A^3 = E\) を満たす \(A\) をすべて求めよ.


解答

(1)

\[\begin{align} AB & = \left( \begin{array}{cc} a & b \\ c & d \end{array} \right) \left( \begin{array}{cc} 1 & 1 \\ -1 & 2 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{cc} a-b & a+2b \\ c-d & c+2d \end{array} \right) , \\ BA & = \left( \begin{array}{cc} 1 & 1 \\ -1 & 2 \end{array} \right) \left( \begin{array}{cc} a & b \\ c & d \end{array} \right) = \left( \begin{array}{cc} a+c & b+d \\ -a+2c & -b+2d \end{array} \right) \end{align}\] \(AB = BA\) なので, 各成分を比較すると \[ \left\{ \begin{array}{ll} a-b = a+c & ... [1] \\ a+2b = b+d & ... [2] \\ c-d = a+2c & ... [3] \\ c+2d = -b+2d & ... [4] \end{array} \right. \] [1] [4] より \[ c = -b \] [2] [3] より \[ d = a+b \] よって \[ A = \left( \begin{array}{cc} a & b \\ -b & a+b \end{array} \right) = b A +(a-b) E \]

(2)

ケーリー・ハミルトンの定理より \[ A^2 = t A -\Delta E \] これを用いれば \[\begin{align} A^3 & = \left( t A -\Delta E \right) A \\ & = t \left( t A -\Delta E \right) -\Delta A \\ & = \left( t^2 -\Delta \right) A -\Delta t E = E \end{align}\] よって \[ \left( t^2 -\Delta \right) A = \left( \Delta t +1 \right) E \]

(3)

\[\begin{align} t & = a +(a+b) = 2a +b , \\ \Delta & = a (a+b) +b^2 = a^2 +ab +b^2 \end{align}\] (2) の結果から, 場合分けして考える.

  1. 1* \(t^2 -\Delta = 0\) のとき \[\begin{align} t^2 -\Delta & = (2a+b)^2 -( a^2 +ab +b^2 ) \\ & = 3a (a+b) = 0 \\ \text{∴} \quad & a = 0 , \ b = -a \end{align}\]

    • \(a = 0\) のとき \[\begin{align} t \Delta +1 & = b \cdot b^2 +1 = 0 \\ \text{∴} \quad b & = -1 \end{align}\] このとき \[ A = \left( \begin{array}{cc} 0 & -1 \\ 1 & -1 \end{array} \right) \]

    • \(b = -a\) のとき \[\begin{align} t \Delta +1 & = a \cdot a^2 +1 = 0 \\ \text{∴} \quad a & = -1 \end{align}\] このとき \[ A = \left( \begin{array}{cc} -1 & 1 \\ -1 & 0 \end{array} \right) \]

  2. 2* \(t^2 -\Delta \neq 0\) のとき
    \(A = k E\) ( \(k\) は実数)と表せるので \[\begin{align} A^3 & = k^3 E = E \\ \text{∴} \quad k & = 1 \end{align}\] このとき \[ A = E \]

以上より, 求める行列 \(A\) は \[ A = \underline{\left( \begin{array}{cc} 0 & -1 \\ 1 & -1 \end{array} \right) , \left( \begin{array}{cc} -1 & 1 \\ -1 & 0 \end{array} \right) , \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right)} \]

筑波大理系2014:第6問


\(xy\) 平面上に楕円 \[ C _ 1 : \ \dfrac{x^2}{a^2} +\dfrac{y^2}{9} = 1 \quad ( a \gt \sqrt{13} ) \] および双曲線 \[ C _ 2 : \ \dfrac{x^2}{4} -\dfrac{y^2}{b^2} = 1 \quad \left( b \gt 0 \right) \] があり, \(C _ 1\) と \(C _ 2\) は同一の焦点をもつとする. また \(C _ 1\) と \(C _ 2\) の交点 \(P \ \left( 2 \sqrt{1 +\dfrac{t^2}{b^2}} , t \right) \ ( t \gt 0 )\) における \(C _ 1 , C _ 2\) の接線をそれぞれ \(\ell _ 1 , \ell _ 2\) とする.

  1. (1) \(a\) と \(b\) の間に成り立つ関係式を求め, 点 \(P\) の座標を \(a\) を用いて表せ.

  2. (2) \(\ell _ 1\) と \(\ell _ 2\) が直交することを示せ.

  3. (3) \(a\) が \(a \gt \sqrt{13}\) を満たしながら動くときの点 \(P\) の軌跡を図示せよ.


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東北大理系2014:第2問


下図のような平行六面体 OABC-DEFG が \(xyz\) 空間内にあり, O \(( 0 , 0 , 0 )\) , A \(( 2 , 0 , 0 )\) , C \(( 0 , 3 , 0 )\) , D \(( -1 , 0 , \sqrt{6} )\) とする. 辺 AB の中点を M とし, 辺 DG 上の点 N を \(\text{MN} = 4\) かつ \(\text{DN} \lt \text{GN}\) を満たすように定める.

  1. (1) N の座標を求めよ.

  2. (2) \(3\) 点 E, M, N を通る平面と \(y\) 軸との交点 P を求めよ.

  3. (3) \(3\) 点 E, M, N を通る平面による平行六面体 OABC-DEFG の切り口の面積を求めよ.

thr20140201
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東北大理系2014:第3問


\(1, 2, 3, 4, 5\) のそれぞれの数字は書かれた玉が \(2\) 個ずつ, 合計 \(10\) 個ある.

  1. (1) \(10\) 個の玉を袋に入れ, よくかき混ぜて \(2\) 個の玉を取り出す. 書かれている \(2\) つの数字の積が \(10\) となる確率を求めよ.

  2. (2) \(10\) 個の玉を袋に入れ, よくかき混ぜて \(4\) 個の玉を取り出す. 書かれている \(4\) つの数字の積が \(100\) となる確率を求めよ.

  3. (3) \(10\) 個の玉を袋に入れ, よくかき混ぜて \(6\) 個の玉を順に取り出す. \(1\) 個目から \(3\) 個目の玉に書かれている \(3\) つの数字の積と, \(4\) 個目から \(6\) 個目の玉に書かれている \(3\) つの数字の積が等しい確率を求めよ.


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東北大理系2014:第4問


不等式 \(1 \leqq x^2+y^2 \leqq 4\) が表す \(xy\) 平面内の領域を \(D\) とする. P を円 \(x^2+y^2 = 1\) 上の点, Q と R を円 \(x^2+y^2 = 4\) 上の異なる \(2\) 点とし, 三角形 PQR は領域 \(D\) に含まれているとする. \(a , b\) を実数とし, 行列 \(A = \left( \begin{array}{cc} a & -b \\ b & a \end{array} \right)\) の表す \(1\) 次変換により P は P' , Q は Q' , R は R' に移される. このとき ,三角形 P'Q'R' が領域 \(D\) に含まれるための \(a , b\) の必要十分条件を求めよ. ただし, 三角形は内部も含めて考えるものとする.


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