大学入試センター試験 2013年(平成25年) 本試 数学ⅡB 第4問 解説

(1)

図A
大学入試センター試験2013年本試 数学ⅡB第4問 解説図A

$\vec{\mathrm{D}\mathrm{B}}=\vec{\mathrm{O}\mathrm{B}}-\vec{\mathrm{O}\mathrm{D}}$としてもいいけど、図も簡単だし、DからBまで移動する方式にしよう。
$\vec{\mathrm{D}\mathrm{B}}=\vec{\mathrm{D}\mathrm{A}}+\vec{\mathrm{A}\mathrm{B}}$
$\displaystyle \vec{\mathrm{D}\mathrm{B}}$$\displaystyle =\frac{2}{5}\vec{a}+\vec{c}$

解答ア:2, イ:5

$\vec{a}\cdot\vec{c}=\left|\vec{a}\right|\cdot\left|\vec{c}\right|\cos\theta$より、
$\vec{a}\cdot\vec{c}=20\cos\theta$

解答ウ:2, エ:0

問題文より、BD⊥AEなので、
$\vec{\mathrm{A}\mathrm{E}}\cdot\vec{\mathrm{D}\mathrm{B}}=0$

解答オ:0

よって、
$\vec{\mathrm{A}\mathrm{E}}\cdot\vec{\mathrm{D}\mathrm{B}}=\left(t\vec{c}-\vec{a}\right)\cdot\left(\frac{2}{5}\vec{a}+\vec{c}\right)=0$
なので、
$-\displaystyle \frac{2}{5}\left|\vec{a}\right|^{2}+\left(\frac{2}{5}t-1\right)\cdot\vec{a}\cdot\vec{c}+t\left|\vec{c}\right|^{2}=0$

これに
$\left|\vec{a}\right|=5$、$\left|\vec{c}\right|=4$、$\vec{a}\cdot\vec{c}=20\cos\theta$を代入して、
$-\displaystyle \frac{2}{5}\cdot 5^{2}+\left(\frac{2}{5}t-1\right)\cdot 20\cos\theta+t\cdot 4^{2}=0$
$-10+8\cos\theta\times t-20\cos\theta+16t=0$
両辺を$2$で割って、
$-5+4\cos\theta\times t-10\cos\theta+8t=0$
$t$がない項を右辺に移項して、
$(4\cos\theta+8)t=10\cos\theta+5$
$4(\cos\theta+2)t=5(2\cos\theta+1)$
$t=\displaystyle \frac{5(2\cos\theta+1)}{4(\cos\theta+2)}$
となる。

解答カ:5, キ:2, ク:4, ケ:2

(2)

②より、
$\left\{\begin{array}{l}
0\leqq 5(2r+1)\\
5(2r+1)\leqq 4(r+2)
\end{array}\right.$式A

式Aの上の式から、
$0\leqq 2r+1$
$-\displaystyle \frac{1}{2}\leqq r$式B

式Aの下の式から、
$10r+5\leqq 4r+8$
$6r\leqq 3$
$r\displaystyle \leqq\frac{1}{2}$式C

式B・Cの重なる部分は、
$-\displaystyle \frac{1}{2}\leqq r\leqq\frac{1}{2}$
$ r=\cos\theta$なので、
$-\displaystyle \frac{1}{2}\leqq\cos\theta\leqq\frac{1}{2}$式D

問題文より、$\theta$の定義域は$ 0 \lt \theta \lt \pi$。
この範囲で式Dを満たすのは、
$\displaystyle \frac{\pi}{3}\leqq\theta\leqq\frac{2}{3}\pi$
である。

解答コ:3, サ:2, シ:3

(3)

図B
大学入試センター試験2013年本試 数学ⅡB第4問 解説図B

①に$\displaystyle \cos\theta=-\frac{1}{8}$を代入して、
$t=\displaystyle \frac{5\left(-\frac{1}{4}+1\right)}{4\left(-\frac{1}{8}+2\right)}$
$t\displaystyle $$\displaystyle =\frac{\frac{15}{4}}{\frac{15}{2}}$
$t\displaystyle $$\displaystyle =\frac{1}{2}$

解答ス:1, セ:2

ここから、解法は2つ考えられる。 解法1
ベクトルで解く。正統派の解法。
解法2
相似を利用して解く。ちょっと算数的かも。
解法1の方がおすすめだけど、気づけば解法2の方が計算が楽。

解法1

お決まりの、2直線の交点への位置ベクトルの問題だ。
お決まりの解き方で解く。

$\mathrm{AF}:\mathrm{EF}$を$u:1-u$とおくと、条件E
$\vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}=(1-u)\vec{\mathrm{O}\mathrm{A}}+u\vec{\mathrm{O}\mathrm{E}}$
ここで、$\vec{\mathrm{O}\mathrm{A}}=\vec{a}$、$\displaystyle \vec{\mathrm{O}\mathrm{E}}=\frac{1}{2}\vec{c}$なので、
$\displaystyle \vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}=(1-u)\vec{a}+\frac{u}{2}\vec{c}$式F

$\vec{\mathrm{D}\mathrm{F}}=v\vec{\mathrm{D}\mathrm{B}}$とおくと、
$\vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}=\vec{\mathrm{O}\mathrm{D}}+v\vec{\mathrm{D}\mathrm{B}}$
ここで、$\displaystyle \vec{\mathrm{O}\mathrm{D}}=\frac{3}{5}\vec{a}$、$\displaystyle \vec{\mathrm{D}\mathrm{B}}=\frac{2}{5}\vec{a}+\vec{c}$なので、
$\displaystyle \vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}=\frac{3}{5}\vec{a}+v\left(\frac{2}{5}\vec{a}+\vec{c}\right)$
$\vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}$$=\left(\frac{3}{5}+\frac{2}{5}v\right)\vec{a}+v\vec{c}$式G

式F=式Gより、
$\left\{\begin{array}{l}
1-u=\frac{3}{5}+\frac{2}{5}v\\
\frac{u}{2}=v
\end{array}\right.$式H
の連立方程式を解く。ただし、テで$\mathrm{AF}:\mathrm{EF}$が必要になるから、$u$の方を求める。

式Hの下の式を上の式に代入して、
$1-u=\displaystyle \frac{3}{5}+\frac{2}{5}\cdot\frac{u}{2}$
両辺5倍して、
$5-5u=3+u$
$6u=2$
$u=\displaystyle \frac{1}{3}$

これを式Fに代入して、
$\displaystyle \vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}=\frac{2}{3}\vec{a}+\frac{1}{6}\vec{c}$

解答ソ:2, タ:3, チ:1, ツ:6

条件Eに$u=\displaystyle \frac{1}{3}$を代入して、
$\displaystyle \mathrm{AF}:\mathrm{EF}=\frac{1}{3}:1-\frac{1}{3}$
$\mathrm{AF}:\mathrm{EF}$$=1:2$
より、点Fは線分AEを1:2に内分する。

解答テ:2

平行四辺形OABCの面積は、△OACの2倍。
△$\displaystyle \mathrm{OAC}=\frac{1}{2}\cdot \mathrm{OA}\cdot \mathrm{OC}\cdot\sin\theta$式I
なので、$\sin\theta$を求めよう。
$\sin^{2}\theta+\cos^{2}\theta=1$より、
$\sin^{2}\theta+\left(-\frac{1}{8}\right)^{2}=1$
$\sin^{2}\theta=1-\left(\frac{1}{8}\right)^{2}$
$\sin^{2}\theta$$=\left(1+\frac{1}{8}\right)\left(1-\frac{1}{8}\right)$
$\displaystyle \sin^{2}\theta$$\displaystyle =\frac{9}{8}\cdot\frac{7}{8}$
$ 0 \lt \sin\theta$なので、
$\displaystyle \sin\theta=\frac{3\sqrt{7}}{8}$

これを式Iに代入して、
△$\displaystyle \mathrm{OAC}=\frac{1}{2}\cdot 5\cdot 4\cdot\frac{3\sqrt{7}}{8}$
△$\displaystyle \mathrm{OAC}$$\displaystyle =\frac{15\sqrt{7}}{4}$
これを2倍すると平行四辺形OABCの面積なので、
平行四辺形OABC$=\displaystyle \frac{15\sqrt{7}}{2}$

解答ト:1, ナ:5, ニ:7, ヌ:2

△$\mathrm{BEA}$の面積は、平行四辺形OABCの面積の半分。
△$\mathrm{BEA}$と△$\mathrm{BEF}$を比較すると、AEを底辺と考えた場合、$\mathrm{AF}:\mathrm{EF}=1:2$より底辺が$\displaystyle \frac{2}{3}$で、高さは等しい。
よって、△$\displaystyle \mathrm{BEF}=\frac{2}{3}$△$\mathrm{BEA}$
以上より、
△$\displaystyle \mathrm{BEF}=\frac{2}{3}\cdot\frac{1}{2}$平行四辺形$\mathrm{OABC}$
なので、
△$\displaystyle \mathrm{BEF}=\frac{1}{3}\cdot\frac{15\sqrt{7}}{2}$
△$\displaystyle \mathrm{BEF}$$\displaystyle =\frac{5\sqrt{7}}{2}$
となる。

解答ネ:5, ノ:7, ハ:2

解法2

ソタチツテは、図形を使って解くこともできる。
直線AEと直線BCの交点をGとする。

図C
大学入試センター試験2013年本試 数学ⅡB第4問 解説図C

図Cで、△FBG∽△FDAで、相似比は10:2=5:1。
よって、
$\mathrm{AF}:\mathrm{GF}=1:5$
また、EはAGの中点なので、
$\mathrm{AF}:\mathrm{FE}:\mathrm{EG}=1:2:3$式J
となるから、点Fは線分AEを1:2に内分する。

解答テ:2

説明の都合上、テを先に求めた。
次はソタチツだ。

$\mathrm{AF}:\mathrm{GF}=1:5$より、
$\displaystyle \vec{\mathrm{A}\mathrm{F}}=\frac{1}{6}\vec{\mathrm{A}\mathrm{G}}$
$\vec{\mathrm{A}\mathrm{G}}=-2\vec{a}+\vec{c}$なので、
$\displaystyle \vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}=\vec{a}+\frac{1}{6}(-2\vec{a}+\vec{c})$
$\displaystyle \vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}$$\displaystyle =\vec{a}-\frac{1}{3}\vec{a}+\frac{1}{6}\vec{c}$
$\displaystyle \vec{\mathrm{O}\mathrm{F}}=\frac{2}{3}\vec{a}+\frac{1}{6}\vec{c}$

解答ソ:2, タ:3, チ:1, ツ:6

ここまで別解で解いたので、残りも解法1とは違う方法で解いてみよう。
点CからOAの延長に垂線を下ろし、その足をHとする。

図D
大学入試センター試験2013年本試 数学ⅡB第4問 解説図D

$\displaystyle \cos\theta=-\frac{1}{8}$なので、
$\displaystyle \frac{\mathrm{O}\mathrm{H}}{\mathrm{O}\mathrm{C}}=\frac{1}{8}$
$\mathrm{OC}=4$だから、$\displaystyle \mathrm{OH}=\frac{1}{2}$。

△OCHは直角三角形なので、三平方の定理より、
$\mathrm{CH}^{2}+\left(\frac{1}{2}\right)^{2}=4^{2}$
$\mathrm{CH}^{2}=4^{2}-\left(\frac{1}{2}\right)^{2}$
$\mathrm{CH}^{2}$$=\left(4+\frac{1}{2}\right)\left(4-\frac{1}{2}\right)$
$\displaystyle \mathrm{CH}^{2}$$\displaystyle =\frac{9}{2}\cdot\frac{7}{2}$
$0 \lt \mathrm{CH}$なので、
$\displaystyle \mathrm{CH}=\frac{3\sqrt{7}}{2}$
これが平行四辺形の高さ。

平行四辺形の面積=底辺$\times$高さ なので、
平行四辺形$\displaystyle \mathrm{OABC}=5\times\frac{3\sqrt{7}}{2}$
平行四辺形$\displaystyle \mathrm{OABC}$$\displaystyle =\frac{13\sqrt{7}}{2}$
となる。

解答ト:1, ナ:5, ニ:7, ヌ:2

図Dで、△AOE≡△GCEだから、青い斜線の三角形の面積と平行四辺形OABCの面積は等しい。

式Jより、
$\mathrm{AF}:\mathrm{FE}:\mathrm{EG}=1:2:3$
なので、
$\mathrm{AG}:\mathrm{FE}=6:2$
$\mathrm{AG}:\mathrm{FE}$$=3:1$
だから、△BEF(赤い斜線の三角形)は、青い斜線の三角形と高さが同じ、底辺が$\displaystyle \frac{1}{3}$。
よって、
△$\displaystyle \mathrm{BEF}=\frac{1}{3}$平行四辺形$\mathrm{OABC}$
なので、
△$\displaystyle \mathrm{BEF}=\frac{1}{3}\cdot\frac{15\sqrt{7}}{2}$
△$\displaystyle \mathrm{BEF}$$\displaystyle =\frac{5\sqrt{7}}{2}$
となる。

解答ネ:5, ノ:7, ハ:2