山形大学/2022年度/前期
6山形大学 2022年 数学 第6問解答・解説
1問題
山形大学2022年度第6問
複素数平面上で、複素数
zを用いて、
2つの円
O1と
O2を、次の式で定義する。
O1:
∣z+5∣=1+25O2:
∣z−5∣=1この
2つの円に外接する円
O3の中心を点
P(α)とし、円
O1と円
O3の接点を
Q(β)とおくとき、次の問に答えよ。
(1) 複素数
αの実部が正であることを示せ。
(2)
2つの実数
x、
yと虚数単位
iを用いて複素数
αを
α=x+yiと表すとき、
xを
yを用いて表せ。
(3)
t=tan(argα)としたとき、
tのとりうる値の範囲を求めよ。
ただし、
argαは複素数
αの偏角とする。
(4) 複素数
αを
tを用いて表せ。
(5)
argα=3πのとき、複素数
βの値を求めよ。
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。
2答え
答えを見る自分の答えと照らし合わせる
2x=2y2+20。
4α=4−t225(1+ti)(
−2<t<2)。
5β=5−3+23i。
3解答
解答を見る途中式つきの解答
解答
(1)
円
O3 の半径を
ρ>0 とする。外接するので、中心間距離は
∣α+5∣=ρ+1+25、
∣α−5∣=ρ+1 である。
したがって
∣α+5∣>∣α−5∣ である。
α=x+yi とおくと、両距離の 2 乗の差は
(x+5)2+y2−{(x−5)2+y2}=20x である。
この差は正なので
x>0、すなわち
α の実部は正である。
(2)
d1=∣α+5∣、
d2=∣α−5∣ とすると
d1−d2=25 である。
d12−d22=20x より
d1+d2=2520x=25x である。
よって
d2=5(x−1) である。両辺を 2 乗して
(x−5)2+y2=5(x−1)2 を整理すると
4x2−y2=20 となる。
(1) より
x>0 なので
x=2y2+20 である。
逆にこの右枝では
x≧5、
d2=5(x−1)≧5−5>1 となるため
ρ=d2−1>0 が確保される。
また
d1=5(x+1) なので距離差も
25 となり、得られた枝全体が実現する。
(3)
実部
x>0 なので
t=tan(argα)=xy が定義される。
(2) の
4x2−y2=20 を
x2 で割ると
t2=4−x220<4 である。よって
−2<t<2 となる。
逆にこの範囲の
t に対して
x=4−t220>0、
y=tx と定めれば (2) を満たし、半径
ρ>0 の円が実現する。したがって全範囲が実際にとれる。
(4)
y=tx を
4x2−y2=20 に代入すると
x2(4−t2)=20 となる。
x>0 なので
x=4−t225、
y=4−t225t である。これより
α=x+yi は結論の形となる。
(5)
argα=3π なら
t=3 である。(4) より
α=25+215i となる。
∣α+5∣=(5+25)2+60=10+5 である。
接点
Q は
O1 の中心
−5 から
P へ向かう線分上にあり、その中心からの距離は
O1 の半径
1+25 である。よって
β=−5+10+51+25(α+5).比
10+51+25=51 なので、
β=−5+55+25+215i=5−3+23i.
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 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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