防衛医科大学校/2022年度/一般

IV防衛医科大学校 2022年 数学 第IV問解答・解説

平面上の曲線と複素数平面図形の性質図形と計量

1問題

防衛医科大学校2022年度第IV問
複素数平面上で複素数 zz が方程式 ∣z∣=1|z|=1 を満たして動くとき、複素数 w=2−izw=\frac{\sqrt{2}-i}{z} が描く図形は 7\boxed{7} である。また、複素数 α\alpha(α≠0\alpha\neq0)、β=1α\beta=\frac{1}{\alpha} について、α\alpha が ∣α−(2+i)∣=2|\alpha-(2+i)|=2 を満たして動くとき、点 α\alpha が描く図形を C1C_1、点 β\beta が描く図形を C2C_2 とする。C1,C2C_1,C_2 の図形の内部の共通部分の面積は 8\boxed{8} である。ただし、ii は虚数単位である。
7\boxed{7} の選択肢

(1) 原点を中心とする半径 2\sqrt{2} の円、(2) 原点を中心とする半径 3\sqrt{3} の円、(3) 点 2−i\sqrt{2}-i を中心とする半径 11 の円、(4) 点 2−i\sqrt{2}-i を中心とする半径 2\sqrt{2} の円、(5) 点 2−i\sqrt{2}-i を中心とする半径 3\sqrt{3} の円。
8\boxed{8} の選択肢

(1) 53π−3\frac{5}{3}\pi-\sqrt{3}、(2) 53π−23\frac{5}{3}\pi-2\sqrt{3}、(3) 83π−3\frac{8}{3}\pi-\sqrt{3}、(4) 83π−23\frac{8}{3}\pi-2\sqrt{3}、(5) 83π−33\frac{8}{3}\pi-3\sqrt{3}。

まずは自分で解いてみましょう。解けたら「答え」、詰まったら「解答」で確かめられます。

タイマー

15:00

2答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • 解答番号7:原点を中心とする半径 3\sqrt{3} の円(選択肢2)、解答番号8:8π3−23\dfrac{8\pi}{3}-2\sqrt{3}(選択肢4)。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

考え方

解答

(1) ∣z∣=1|z|=1 より
∣w∣=∣2−iz∣=∣2−i∣=3. |w|=\left|\dfrac{\sqrt{2}-i}{z}\right|=|\sqrt{2}-i|=\sqrt{3}.
従って ww の軌跡は原点中心、半径 3\sqrt{3} の円で、選択肢 2。

(2) β=1α\beta=\dfrac{1}{\alpha} とおき、∣α−(2+i)∣=2|\alpha-(2+i)|=2 に α=1β\alpha=\dfrac{1}{\beta} を代入する。β≠0\beta\neq 0 なので両辺に ∣β∣|\beta| を掛けて
∣1−(2+i)β∣=2∣β∣. |1-(2+i)\beta|=2|\beta|.
β=x+iy\beta=x+iy とおくと、(2+i)β=(2x−y)+(x+2y)i(2+i)\beta=(2x-y)+(x+2y)i であり、両辺を平方すると
1−2(2x−y)+5(x2+y2)=4(x2+y2). 1-2(2x-y)+5(x^{2}+y^{2})=4(x^{2}+y^{2}).
整理して x2+y2−4x+2y+1=0x^{2}+y^{2}-4x+2y+1=0、すなわち (x−2)2+(y+1)2=4(x-2)^{2}+(y+1)^{2}=4。
よって C2C_2 は中心 (2,−1)(2,-1)、半径 2 の円である。一方 C1C_1 は中心 (2,1)(2,1)、半径 2 の円で、中心間距離は 2。

2 円の交点を結ぶ弦は中心線に垂直で、その中点は中心間の中点と一致する。各中心から交点への半径と中心線が作る角は π3\dfrac{\pi}{3} なので、共通部分は各円の中心角 2π3\dfrac{2\pi}{3} の扇形から、中心と二つの交点を結んだ二等辺三角形を除いたものが 2 つ分である。したがって
S=2(12⋅22⋅2π3−12⋅22sin⁡2π3)=8π3−23. S=2\left(\dfrac{1}{2}\cdot 2^{2}\cdot\dfrac{2\pi}{3}-\dfrac{1}{2}\cdot 2^{2}\sin\dfrac{2\pi}{3}\right)=\dfrac{8\pi}{3}-2\sqrt{3}.
選択肢 4。

読み終えたら解答を閉じて、もう一度自分の手で解いてみましょう。

この問題で使う考え方

  • 複素数平面
  • 円の性質
  • 三角比による面積

答えと解答は AI で作成したものです。誤りに気づいたらお問い合わせから教えてください。

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