早大理工数学'10年[2]

xy平面上の点に対して、点,,・・・ を次の式で順に定める。
以下の問いに答えよ。
(1) のとき、を求めよ。
(2) のとき、を求めよ。
(3) かつ のとき、となることを示せ。
(4) となる2以上の整数nが存在しないとき、点はどのような範囲にあるかを図示せよ。


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解答 問題文に行列が出てきますが、行列や1次変換の問題というほどのことはありません。
第
1象限、第4象限、・・・、x軸上の部分、y軸上の部分、・・・、という具合に分けて考えるように促す誘導に即して考えます。面倒ですが、すべての場合を調べても試験時間内にやりきれるでしょう。

・のとき、 (行列の積を参照)
これは、とを入れ替えてにマイナスをつける(図形的には、反時計回りに回転することを意味する)、ということです。
・のとき、
これは、との双方にマイナスをつける(図形的には、反時計回りにπ回転することを意味する)、ということです。
以上の規則でからを求めることを、→のように表すことにします。

(1) →→
......[答]
このまま続けていくと、→となり、となっています。

(2) →→→→
......[答]
 となっています。

(3) 以下では、,とします。
として、
→→→
∴

(4) ・,のとき、として、
→→→
∴
・,のとき、として、
→→→
∴
・,のとき、として、
→→→→
∴

これより、では,,が循環的に現れ、kを自然数として、
のとき,のとき,のとき
よって、となる
2以上の整数nは存在しません。
・,のとき、として、
→→→→
∴

これより、では,,が循環的に現れ、kを自然数として、
のとき,のとき,のとき
よって、となる
2以上の整数nは存在しません。
・,のとき、として、
→→→
∴
・,のとき、として、
→→→
∴
・,のとき、として、
→→→
∴
・のとき、
これより、すべての整数について、
(3)を含めて以上より、
“となる
2以上の整数nが存在しない”
⇔ “ かつ ”
の存在範囲を図示すると右図黄緑色着色部(太線を含み、点線と白マルを除く)。


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