東大理系数学'20年前期[2]

平面上の点P,Q,Rが同一直線上にないとき、それらを3頂点とする三角形の面積をで表す。また、P,Q,Rが同一直線上にあるときは、とする。
A,B,Cを平面上の3点とし、とする。この平面上の点Xが
を満たしながら動くとき、Xの動きうる範囲の面積を求めよ。


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解答 難問のように見えますが、やってみると、高校の入試問題か、という雰囲気です。

問題文の条件は、

 ・・・(*)
まず、Xが三角形ABCの内部、または周上の点だとする(右図)と、
このとき、Xは条件を満たしません。Xは三角形ABCの外部の点、ということになりますが、面積,,を考えると、Xが辺ABに関して三角形ABCと反対側、Xが辺BCに関して三角形ABCと反対側、Xが辺CAに関して三角形と反対側、などで、考え方を変えなければいけないので、場合分けの仕方が見えてきます。
右図のように、各辺を延長した
3本の直線により、平面を7つの領域�@,�A,�B,�C,�D,�E,�Fに分けます。直線上の点は隣接する領域に含めて考えます。前述のように、Xが領域�@にあるときは、Xは条件を満たしません。
(i) Xが領域�Aにあるとき(右図)、Xが、直線BC上、直線CA上にあるときを含めて、直線XCと直線ABとの交点をD (DがAと一致するときは,DがBと一致するときは,DがXと一致するときは)とします。右図より、
,,より、
(*)より、,,つまり、 ・・・�G
となるのは、右図のように、となるときで、このとき、直線
CA上でAについてCと反対側に、となるような点Iをとり、直線BC上でBについてCと反対側に、となるような点Jをとると、Xは線分IJ上(両端を含む)にあります。
となるのは、右図のように、となるときで、このとき、直線
CA上でAについてCと反対側に、となるような点Pをとり、直線BC上でBについてCと反対側に、となるような点Qをとると、Xは線分PQ上(両端を含む)にあります。
Xが領域�Aにあるときには、�Gとなるのは、となるときで、Xは台形IJQPの内部または周上にあります(右図黄色着色部および境界線上)。
(ii) Xが領域�Bにあるとき(右図)、直線XBと辺CAとの交点をE (EがCあるいはAと一致することもあります)とします。右図より、
,より、
(*)より、,,つまり、 ・・・�H
となるのは、右図のように、となるときで、このとき、直線
AB上でBについてAと反対側に、となるような点Kをとると、Xは線分JK上(両端を含む)にあります。
となるのは、右図のように、となるときで、このとき、直線
AB上でBについてAと反対側に、となるような点Rをとると、Xは線分QR上(両端を含む)にあります。
Xが領域�Bにあるときには、�Hとなるのは、となるときで、Xは台形JKRQの内部または周上にあります(右図黄色着色部および境界線上)。
(iii) (i),(ii)と同様にして、Xが領域�C,領域�D,領域�E,領域�Fにあるときは、直線CA上でCについてAと反対側に、となるような点Lを、となるような点Sをとり、直線BC上でCについてBと反対側に、となるような点Mを、となるような点Tをとり、直線AB上で、AについてBと反対側に、となるような点Nを、となるような点Uをとると、Xは、台形KLSR、台形LMTS、台形MNUT、台形NIPUのそれぞれの内部または周上にあります。
以上を図示すると、Xは右図黄緑色着色部の内部または周上にあり、
,,,より、
Xの動きうる範囲の面積は、台形IJQP、台形JKRQ、台形KLSR、台形LMTS、台形MNUT、台形NIPUを合わせて、
......[答]



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