新潟大学/2025年度/前期

5新潟大学 2025年 数学 第5問解答・解説

難易度必答 レベル 4/10 目安 20分編集部の評価

対象理・工・歯・医 共通医学科も解く

1問題

新潟大学2025年度第5問
次の条件(☆)を満たす複素数zzを考える。ただし、iiは虚数単位とする。

(☆) iz2i{z}^{2}は実数であって、0≦iz2≦20\leqq i {z}^{2}\leqq 2である。

次の問いに答えよ。

(1) iz2=2i {z}^{2}=2であるときの複素数zzをすべて求めよ。

(2) 0<iz2≦20<i {z}^{2}\leqq 2であるときの複素数zzの偏角θ\thetaをすべて求めよ。ただし、0≦θ<2π0\leqq \theta <2 \piとする。

(3) 条件(☆)を満たす複素数zz全体の集合をSSとする。集合SSを複素数平面上に図示せよ。

(4) 複素数zzが(3)のSSを動くとき、zz+2\frac{z}{z+2}の実部の最小値を求めよ。

出典:新潟大学 2025年度 前期 数学 第5問

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
  • (1)
    z=1−i, −1+iz=1-i,\,-1+i。
  • (2)
    θ=3π4, 7π4\theta=\dfrac{3\pi}{4},\,\dfrac{7\pi}{4}。
  • (3)
    S={t(1−i)∣−1≦t≦1}S=\{t(1-i)\mid -1\leqq t\leqq 1\}。端点 −1+i-1+i と 1−i1-i を結ぶ閉線分。
  • (4)
    最小値 1−22\dfrac{1-\sqrt{2}}{2}(z=(2−2)(1−i)z=(\sqrt{2}-2)(1-i) のとき)。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

解答

(1)

iz2=2iz^{2}=2 は z2=−2iz^{2}=-2i と同値であり、(1−i)2=−2i(1-i)^{2}=-2i なので、平方根は ±(1−i)\pm(1-i)。

(2)

z≠0z\neq 0 として z=ρ(cos⁡θ+isin⁡θ)z=\rho(\cos\theta+i\sin\theta)(ρ>0\rho>0)と書くと、
iz2=ρ2{cos⁡(2θ+π2)+isin⁡(2θ+π2)} iz^{2}=\rho^{2}\left\{\cos\left(2\theta+\dfrac{\pi}{2}\right)+i\sin\left(2\theta+\dfrac{\pi}{2}\right)\right\}
正の実数となるには 2θ+π2≡0(mod2π)2\theta+\dfrac{\pi}{2}\equiv 0\pmod{2\pi}。
0≦θ<2π0\leqq\theta<2\pi の範囲で、θ=3π4, 7π4\theta=\dfrac{3\pi}{4},\,\dfrac{7\pi}{4} となる。

(3)

z=x+iyz=x+iy とおくと、iz2=−2xy+i(x2−y2)iz^{2}=-2xy+i(x^{2}-y^{2})。
実数条件より y=±xy=\pm x。
非負条件を満たすのは y=−xy=-x であり(y=xy=x では原点だけ)、iz2=2x2≦2iz^{2}=2x^{2}\leqq 2 だから −1≦x≦1-1\leqq x\leqq 1。
したがって、SS は端点 −1+i-1+i、1−i1-i を結ぶ閉線分(原点を含む)である。

(4)

z=t(1−i)z=t(1-i)、−1≦t≦1-1\leqq t\leqq 1 とおく。
z+2z+2 の共役を分母と分子に掛けて整理すると、zz+2\dfrac{z}{z+2} の実部は F(t)=t2+tt2+2t+2F(t)=\dfrac{t^{2}+t}{t^{2}+2t+2} となる。
分母は常に正で、F′(t)=t2+4t+2(t2+2t+2)2F'(t)=\dfrac{t^{2}+4t+2}{(t^{2}+2t+2)^{2}}。
区間内の停留点は t=−2+2t=-2+\sqrt{2} だけで、その前後で導関数は負から正へ変わる。
よってそこが最小で、F(−2+2)=1−22F(-2+\sqrt{2})=\dfrac{1-\sqrt{2}}{2}。

保存した解説図(配置未確定)

保存された解説図(掲載前の内容照合は別途必要)

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。

答えと解答は編集部が AI で作成したもので、大学が公表したものではありません。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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この問題について

新潟大学の2025年度(前期)の数学は全6問で、この問題は第5問です。証明を求める問題です。

難易度は全大学共通の物差しでレベル4(目安20分)、この大学の中では「必答」です。この年度の評価済みの6問の中で、いちばん易しい問題です。

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