大学入試センター試験 2019年(平成31年) 追試 数学ⅠA 第2問 [1] 解説

ア~キ

まずアイの式だ。
$\mathrm{AB}\cdot\cos\angle \mathrm{ABC}$とか$\mathrm{AC}\cdot\cos\angle \mathrm{ACB}$とか 見慣れない項があるので、この部分から考えよう。

図A
大学入試センター試験2019年追試 数学ⅠA 第1問 解説図A

図Aのように、頂点Aから辺BCに垂線を下ろし、その足を点Hとする。
△ABHは直角三角形なので、
$\cos\angle \mathrm{ABC}=\cos\angle \mathrm{ABH}$
$\displaystyle \cos\angle \mathrm{ABC}$$\displaystyle =\frac{\mathrm{B}\mathrm{H}}{\mathrm{A}\mathrm{B}}$
とかける。

同様に、
$\displaystyle \cos\angle \mathrm{ACB}=\frac{\mathrm{C}\mathrm{H}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}$
である。

なので、アイの式は
アイ$=\mathrm{AB}\cdot\cos\angle \mathrm{ABC}+\mathrm{AC}\cdot\cos\angle \mathrm{ACB}$
           $\displaystyle =\mathrm{AB}\cdot\frac{\mathrm{B}\mathrm{H}}{\mathrm{A}\mathrm{B}}+\mathrm{AC}\cdot\frac{\mathrm{C}\mathrm{H}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}$
           $=\mathrm{BH}+\mathrm{CH}$
           $=\mathrm{BC}$
           $=12$
となる。

解答ア:1, イ:2

アイの式に$\cos\angle \mathrm{ABC}$と$\cos\angle \mathrm{ACB}$の値を代入すると、
$\displaystyle \frac{1}{3}\mathrm{AB}+\frac{7}{9}\mathrm{AC}=12$式A
となる。


アドバイス

次は$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}$だ。
ABとかACとかの辺の長さが入っている公式は
正弦定理 余弦定理 面積 の3種類あるけれど、今回は面積は論外。
また、余弦定理は$\mathrm{AB}^{2}$とか$\mathrm{AC}^{2}$とかになるからパス。
正弦定理を使おう。

正弦定理より、
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{C}}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{C}}=\frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{C}\mathrm{B}}$
これを変形して、
途中式 まず両辺をACで割って、
$\displaystyle \frac{1}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{C}}=\frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\mathrm{A}\mathrm{C}\cdot\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{C}\mathrm{B}}$
両辺に$\sin\angle \mathrm{ACB}$をかけて、
$\displaystyle \frac{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{C}\mathrm{B}}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{C}}=\frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}$式B
という式が出来る。

この式の$\sin\angle \mathrm{ABC}$は、
$\sin^{2}\angle \mathrm{ABC}+\cos^{2}\angle \mathrm{ABC}=1$
より
$\sin^{2}\angle \mathrm{ABC}+\left(\frac{1}{3}\right)^{2}=1$
だから
途中式 $\sin^{2}\angle \mathrm{ABC}=1-\left(\frac{1}{3}\right)^{2}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{ABC}$$\displaystyle =\frac{3^{2}-1}{3^{2}}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{ABC}$$\displaystyle =\frac{8}{3^{2}}$
ここで、$0 \lt \sin\angle \mathrm{ABC}$なので、
$\displaystyle \sin\angle \mathrm{ABC} =\frac{2\sqrt{2}}{3}$式C

また、$\sin\angle \mathrm{ACB}$は、
$\sin^{2}\angle \mathrm{ACB}+\cos^{2}\angle \mathrm{ACB}=1$
より
$\sin^{2}\angle \mathrm{ACB}+\left(\frac{7}{9}\right)^{2}=1$
だから
途中式 $\sin^{2}\angle \mathrm{ACB}=1-\left(\frac{7}{9}\right)^{2}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{ACB}$$\displaystyle =\frac{9^{2}-7^{2}}{9^{2}}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{ACB}$$\displaystyle =\frac{(9+7)(9-7)}{9^{2}}$
$\displaystyle \sin^{2}\angle \mathrm{ACB}$$\displaystyle =\frac{16\cdot 2}{9^{2}}$
ここで、$0 \lt \sin\angle \mathrm{ACB}$なので、
$\displaystyle \sin\angle \mathrm{ACB} =\frac{4\sqrt{2}}{9}$式D

式C,式Dを式Bに代入して、
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}=\frac{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{C}\mathrm{B}}{\sin\angle \mathrm{A}\mathrm{B}\mathrm{C}}$
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}$$\displaystyle =\frac{\frac{4\sqrt{2}}{9}}{\frac{2\sqrt{2}}{3}}$
途中式 繁分数は面倒だから、まず右辺の分母分子に$9$をかけよう。
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}=\frac{\frac{4\sqrt{2}}{9}\times 9}{\frac{2\sqrt{2}}{3}\times 9}$
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}$$\displaystyle =\frac{4\sqrt{2}}{3\cdot 2\sqrt{2}}$
あとは、右辺を約分すると
$\displaystyle \frac{\mathrm{A}\mathrm{B}}{\mathrm{A}\mathrm{C}}=\frac{2}{3}$式E
となる。

解答ウ:2, エ:3


ABとACの式が2つ出来たので、連立方程式として解こう。

式Eの両辺にACをかけて、
$\displaystyle \mathrm{AB}=\frac{2}{3}\mathrm{AC}$式E'

これを式Aに代入して、
$\displaystyle \frac{1}{3}\cdot\frac{2}{3}\mathrm{AC}+\frac{7}{9}\mathrm{AC}=12$
途中式 $\displaystyle \frac{2}{9}\mathrm{AC}+\frac{7}{9}\mathrm{AC}=12$
$\displaystyle \frac{9}{9}\mathrm{AC}=12$
$\mathrm{AC}=12$
となる。

これを式E'に代入すると、
$\displaystyle \mathrm{AB}=\frac{2}{3}\cdot 12$
$\mathrm{AB}$$=8$
である。

解答オ:8, カ:1, キ:2

ク~コ

ここまでで分かったことを書き込むと、図Bができる。

図B
大学入試センター試験2019年追試 数学ⅠA 第1問 解説図B

さて、最後はADだ。
△ABDを考えると、2辺の長さと1角の三角比が分かってるので、余弦定理だ。

点Dは辺BCの中点なので、
$\mathrm{BD}=6$
である。

△ABDに余弦定理を使うと、
$\mathrm{AD}^{2}=\mathrm{AB}^{2}+\mathrm{BD}^{2}-2\cdot \mathrm{AB}\cdot \mathrm{BD}\cos\angle \mathrm{ABD}$
$\displaystyle \mathrm{AD}^{2}$$\displaystyle =8^{2}+6^{2}-2\cdot 8\cdot 6\cdot\frac{1}{3}$
途中式 $\mathrm{AD}^{2}$$=(2\cdot 4)^{2}+(2\cdot 3)^{2}-2\cdot 8\cdot 2$
$\mathrm{AD}^{2}$$=2^{2}(4^{2}+3^{2}-8)$
$\mathrm{AD}^{2}$$=2^{2}\cdot 17$
ここで、$0 \lt \mathrm{AD}$なので、
$\mathrm{AD}=2\sqrt{17}$
となる。

解答ク:2, ケ:1, コ:7

別解

この部分は中線定理を使って解くこともできる。

点Dは辺BCの中点なので、
$\mathrm{BD}=6$
である。

△ABCに中線定理を使って、
$\mathrm{AB}^{2}+\mathrm{AC}^{2}=2(\mathrm{AD}^{2}+\mathrm{BD}^{2})$

それぞれの辺の値を代入して、
$8^{2}+12^{2}=2(\mathrm{AD}^{2}+6^{2})$
より
$2(\mathrm{AD}^{2}+6^{2})=(2\cdot 4)^{2}+(2\cdot 6)^{2}$
$\mathrm{AD}^{2}+6^{2}=2\cdot 4^{2}+2\cdot 6^{2}$
$\mathrm{AD}^{2}=2\cdot 4^{2}+6^{2}$
途中式 $\mathrm{AD}^{2}$$=2\cdot(2\cdot 2)^{2}+(2\cdot 3)^{2}$
$\mathrm{AD}^{2}$$=2^{2}\cdot(2\cdot 2^{2}+3^{2})$
$\mathrm{AD}^{2}$$=2^{2}\cdot 17$
ここで、$0 \lt \mathrm{AD}$なので、
$\mathrm{AD}=2\sqrt{17}$
である。

解答ク:2, ケ:1, コ:7