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zzを用いて、22つの円O1O_{1}とO2O_{2}を、次の式で定義する。

O1O_{1}:∣z+5∣=1+25|z+5|=1+2\sqrt{5}

O2O_{2}:∣z−5∣=1|z-5|=1

この22つの円に外接する円O3O_{3}の中心を点P(α)\mathrm{P}(\alpha)とし、円O1O_{1}と円O3O_{3}の接点をQ(β)\mathrm{Q}(\beta)とおくとき、次の問に答えよ。

(1) 複素数α\alphaの実部が正であることを示せ。

(2) 22つの実数xx、yyと虚数単位iiを用いて複素数α\alphaをα=x+yi\alpha=x+yiと表すとき、xxをyyを用いて表せ。

(3) t=tan⁡(arg⁡α)t=\tan(\arg\alpha)としたとき、ttのとりうる値の範囲を求めよ。

 ただし、arg⁡α\arg\alphaは複素数α\alphaの偏角とする。

(4) 複素数α\alphaをttを用いて表せ。

(5) arg⁡α=π3\arg\alpha=\dfrac{\pi}{3}のとき、複素数β\beta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。

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
    α\alpha の実部は正。
  • 2
    x=y2+202x=\dfrac{\sqrt{y^{2}+20}}{2}。
  • 3
    −2<t<2-2<t<2。
  • 4
    α=25 (1+ti)4−t2\alpha=\dfrac{2\sqrt{5}\,(1+ti)}{\sqrt{4-t^{2}}}(−2<t<2-2<t<2)。
  • 5
    β=5−3+23 i\beta=\sqrt{5}-3+2\sqrt{3}\,i。

3解答

解答を見る途中式つきの解答

解答

(1)

円 O3O_{3} の半径を ρ>0\rho>0 とする。外接するので、中心間距離は ∣α+5∣=ρ+1+25|\alpha+5|=\rho+1+2\sqrt{5}、∣α−5∣=ρ+1|\alpha-5|=\rho+1 である。
したがって ∣α+5∣>∣α−5∣|\alpha+5|>|\alpha-5| である。α=x+yi\alpha=x+yi とおくと、両距離の 2 乗の差は (x+5)2+y2−{(x−5)2+y2}=20x(x+5)^{2}+y^{2}-\{(x-5)^{2}+y^{2}\}=20x である。
この差は正なので x>0x>0、すなわち α\alpha の実部は正である。

(2)

d1=∣α+5∣d_{1}=|\alpha+5|、d2=∣α−5∣d_{2}=|\alpha-5| とすると d1−d2=25d_{1}-d_{2}=2\sqrt{5} である。
d12−d22=20xd_{1}^{2}-d_{2}^{2}=20x より d1+d2=20x25=25 xd_{1}+d_{2}=\dfrac{20x}{2\sqrt{5}}=2\sqrt{5}\,x である。
よって d2=5(x−1)d_{2}=\sqrt{5}(x-1) である。両辺を 2 乗して (x−5)2+y2=5(x−1)2(x-5)^{2}+y^{2}=5(x-1)^{2} を整理すると 4x2−y2=204x^{2}-y^{2}=20 となる。
(1) より x>0x>0 なので x=y2+202x=\dfrac{\sqrt{y^{2}+20}}{2} である。
逆にこの右枝では x≧5x\geqq\sqrt{5}、d2=5(x−1)≧5−5>1d_{2}=\sqrt{5}(x-1)\geqq5-\sqrt{5}>1 となるため ρ=d2−1>0\rho=d_{2}-1>0 が確保される。
また d1=5(x+1)d_{1}=\sqrt{5}(x+1) なので距離差も 252\sqrt{5} となり、得られた枝全体が実現する。

(3)

実部 x>0x>0 なので t=tan⁡(arg⁡α)=yxt=\tan(\arg\alpha)=\dfrac{y}{x} が定義される。
(2) の 4x2−y2=204x^{2}-y^{2}=20 を x2x^{2} で割ると t2=4−20x2<4t^{2}=4-\dfrac{20}{x^{2}}<4 である。よって −2<t<2-2<t<2 となる。
逆にこの範囲の tt に対して x=204−t2>0x=\sqrt{\dfrac{20}{4-t^{2}}}>0、y=txy=tx と定めれば (2) を満たし、半径 ρ>0\rho>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=txy=tx を 4x2−y2=204x^{2}-y^{2}=20 に代入すると x2(4−t2)=20x^{2}(4-t^{2})=20 となる。
x>0x>0 なので x=254−t2x=\dfrac{2\sqrt{5}}{\sqrt{4-t^{2}}}、y=25 t4−t2y=\dfrac{2\sqrt{5}\,t}{\sqrt{4-t^{2}}} である。これより α=x+yi\alpha=x+yi は結論の形となる。

(5)

arg⁡α=π3\arg\alpha=\dfrac{\pi}{3} なら t=3t=\sqrt{3} である。(4) より α=25+215 i\alpha=2\sqrt{5}+2\sqrt{15}\,i となる。
∣α+5∣=(5+25)2+60=10+5|\alpha+5|=\sqrt{(5+2\sqrt{5})^{2}+60}=10+\sqrt{5} である。
接点 Q\mathrm{Q} は O1O_{1} の中心 −5-5 から P\mathrm{P} へ向かう線分上にあり、その中心からの距離は O1O_{1} の半径 1+251+2\sqrt{5} である。よって
β=−5+1+2510+5(α+5). \beta=-5+\dfrac{1+2\sqrt{5}}{10+\sqrt{5}}(\alpha+5).
比 1+2510+5=15\dfrac{1+2\sqrt{5}}{10+\sqrt{5}}=\dfrac{1}{\sqrt{5}} なので、
β=−5+5+25+215 i5=5−3+23 i. \beta=-5+\dfrac{5+2\sqrt{5}+2\sqrt{15}\,i}{\sqrt{5}}=\sqrt{5}-3+2\sqrt{3}\,i.

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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