東大理系数学'10年前期[5]

Cを半径1の円周とし、AをC上の1点とする。3点P,Q,RがAを時刻に出発し、C上を各々一定の速さで、P,Qは反時計回りに、Rは時計回りに、時刻まで動く。P,Q,Rの速さは、それぞれm,1,2であるとする。(したがって、QはCをちょうど一周する。)ただし、mはをみたす整数である。△PQRがPRを斜辺とする直角二等辺三角形となるような速さmと時刻tの組をすべて求めよ。


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解答 回転運動の問題のように見えますが、実質的には整数問題です。総当たりチェックする範囲を絞ることが目標です。以下では、tの可能性を6通りに絞り、その各場合について、を満たす整数mを探すことになります。

円の中心を原点
O,に沿ってこの方向にx軸,を反時計回りに回転した方向にy軸をとり、点Aの座標をとします。
3点P,Q,Rが円周に沿って移動した距離は、,t,で、半径が1なので、この距離はそのまま回転角の大きさとなり、P,Qが反時計回り、Rが時計回りに動くことから、P,Q,Rの時刻tにおける座標は、
P,Q,R () (三角関数を参照)
円周に内接する△PQRがPRを斜辺とする直角二等辺三角形になるための必要十分条件は、
PRが円の直径であって、かつ、
となることですが、
PRが円の直径であるためには、
かつ  ・・・�@
弦QRの上に立つ円周角は円周角のなので、
よって、 
(内積を参照)
∴  (加法定理を参照)
においては、より、
()
∴  ・・・�A
�@より、

かつ
 
(和を積に直す公式を利用)
のときにはとなり得ないので、両者がともに成り立つためには、
�Aより、
()
よって、jを整数として、

∴  ・・・�B
より、




() ・・・�C
・のとき、�Cは、
∴
�Bより、
また、�Aより、
・のとき、�Cは、
∴
のとき�Bより、
のとき�Bより、
また、�Aより、
・のとき、�Cは、
∴
このうち、�Bの右辺分子のが分母ので割り切れるのはのみで、このとき、
また、�Aより、
・のとき、�Cは、
∴
このうち、�Bの右辺分子のが分母ので割り切れるのはのみで、このとき、
また、�Aより、
・のとき、�Cは、
∴
このうち、�Bの右辺分子のが分母ので割り切れるのはのみで、のとき,のとき
また、�Aより、
・のとき、�Cは、
∴
このうち、�Bの右辺分子のが分母ので割り切れるのはのみで、このとき
また、�Aより、
以上より、
......[答]


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