In [1]:
# グラフの大きさを指定するおまじない
options(repr.plot.width=4, repr.plot.height=4)
par(mar = c(1, 1, 1, 1), xpd = T)

1

$ x = \frac{5-\sqrt{5}}{2}, y = \frac{5+\sqrt{5}}{2} $のとき $ xy, x^2+y^2, xy^3+x^3y $ を計算せよ

$$ \begin{align} xy &= \frac{5^2-\sqrt{5}^2}{2^2} = 5 \\ x^2+y^2 &= (x+y)^2 - 2xy = 5^ 2- 2\cdot5 = 15 \\ xy^3+x^3y &= xy(x^2+y^2) = 5\cdot15 = 75 \end{align} $$

2

$ \triangle ABC$において$AB =2, AC = 3, \angle B = 60^{ \circ }$のとき$BC$を求めよ

余弦定理を忘れているのでピタゴラスの定理から計算してみる。 $$ \begin{align} CD^ 2 = BC^2 - BD^2 &= AC^2 - AD^2 \\ BC^2 - BC^2(\cos B)^2 &= AC ^ 2 - (AB - BC\cos B)^2 = AC^2 - AB^2 + 2AB\cdot BC\cos B -BC^2(\cos B)^2 \\ BC^2 &= 9 - 4 + 2 \cdot 2 \cdot BC\frac{1}{2} \\ BC^2 -2BC - 5 &= 0 \\ BC &= 1\pm\sqrt{6} \\ \end{align} $$ $BC > 0$より$BC=\sqrt{6}+1$

In [2]:
A <- c(5, 0)
B <- c(0, 0)
C <- c(4, 3)
D <- c(C[1], 0)
plot(0, type = 'n', xlim = c(0, 5), ylim = c(0,5), axes = F, xlab = "", ylab = "")
polygon(rbind(A, B, C))
polygon(rbind(C,D))
text(rbind(A, B, C, D), c("A", "B", "C", "D"), pos = c(4, 2, 3, 1), xpd = T)

$ \triangle ABC$の外接円の半径を求めよ

円周角の定理から$\angle COA = \angle B \times 2 = 120 ^{\circ}$

$OC = OA$なので$\triangle OAC$は二等辺三角形

$AC = 3$から$OA = 3 \div 2 \div \sqrt{3} \times 2 = \sqrt{3}$

In [3]:
A <- c(2, 0)
B <- c(0, 0)
C <- c(cos(pi/3), sin(pi/3)) * (sqrt(6) + 1)
# 外接円の中心 0 < x < 2, 0 < y < C を探す
x <- seq(0, 2, length = 100)
y <- seq(0, C[2], length = 100)
xy <- as.matrix(expand.grid(x, y))
# (x,y) とA,B,Cの距離の分散
rv <- apply(xy, 1, function (o){
  var(apply(rbind(A, B, C), 1, function (a){
      sqrt(sum((o - a)^2))
  }))
})
# 分散が一番小さい = 距離が等しい = 中心
O <- xy[which(rv == min(rv)),]
r <- sqrt(sum((A - O)^2))
# 三角形を書く
plot(0, type = 'n', xlim = c(0, 3), ylim = c(0,3), xlab = "", ylab = "", axes = F)
polygon(rbind(A, B, C))
text(rbind(A, B, C), c("A", "B", "C"), pos = c(4, 2, 3), xpd = T)
# 外接円を描く
theta <- seq(-pi, pi, length = 100)
polygon(cos(theta) * r + O[1], sin(theta) * r + O[2], xpd = T)
points(O[1], O[2], pch = 19)
text(O[1], O[2], 'O', pos = 3)
polygon(rbind(A, O, C), lty = 'dashed')

内接円の半径を求めよ

各辺(a, b, c)と内接円の接点をHa, Hb, Hcとすると、BC = BHa + CHa, BHa = BHcとなる $$ \begin{align} AC = AHb + CHb = (BA - BHc) + (BC - BHa) = 2 + \sqrt{6} + 1 - 2BHa &= 3 \\ BHa &= \frac{\sqrt{6}}{2} \\ \end{align} \\ 半径 = OHc = BHa\tan 30^{\circ} = \frac{\sqrt{6}}{2} \div \sqrt{3} = \frac{\sqrt{2}}{2} $$

In [4]:
# 角Bの2等分線上の点
x <- seq(0, 2, length = 100)
y <- x * tan(pi / 6)
# 角Aの2等分線上の点との距離がもっとも近い = 二等分線の交点
AC <- C - A
a <- atan(AC[2] / AC[1]) / 2 #角Aの二等分線の傾き
dy <- abs((x - A[1]) * a - y) # 二等分線間の距離
O <- cbind(x, y)[which(dy == min(dy)),]
r <- O[2]
# 三角形を書く
plot(0, type = 'n', xlim = c(0, 3), ylim = c(0,3), xlab = "", ylab = "", axes = F)
polygon(rbind(A, B, C))
text(rbind(A, B, C), c("A", "B", "C"), pos = c(4, 2, 3), xpd = T)
#text(rbind((A + B)/2, (B + C) / 2, (C + A) / 2), c("Ha", "Hb", "Hc"), pos = c(4, 2, 3))
# 内接円を描く
theta <- seq(-pi, pi, length = 100)
polygon(cos(theta) * r + O[1], sin(theta) * r + O[2], xpd = T)
points(O[1], O[2], pch = 19)
text(O[1], O[2], 'O', pos = 3)
curve(x * tan(pi / 6), from = 0, to = 2, add =T)
curve((x -2) * a, from = 0, to = 2, col = 'red', add =T)
# 内接円にみえない。何かが違うがわからない。give up

3

下の直方体ABCD-EFGH (AB = 4, AD = 3, AE = 2)の$\cos \angle CAF$ を求めよ

$$ \begin{align} AF^2 &= AB^2 + BF^2 &= 16 + 4 &= 20 \\ AC^2 &= AB^2 + BC^2 &= 16 + 9 &= 25 \\ CF^2 &= CB^2 + BF^2 &= 9 + 4 &= 13\\ \end{align} \\ \cos \angle CAF = \frac{AC^2 + AF^2 - CF^2}{2AC\cdot AF} = \frac{25 + 20 - 13}{2\sqrt{20\cdot 25}} = \frac{8}{25}\sqrt{5} $$
In [5]:
A <- c(0, 2)
B <- c(4, 2)
E <- c(0, 0)
F <- c(4, 0)
front <- rbind(A, B, F, E)
back <- front + rep(c(2, 2/3), each = 4)
plot(0, type = 'n', xlim = c(0, 6), ylim = c(0,4), xlab = "", ylab = "", axes = FALSE)
polygon(front)
text(front, c("A", "B", "F", "E"), pos = c(2, 4, 4, 2), xpd = T)
polygon(back)
text(back, c("D", "C", "G", "H"), pos = c(2, 4, 4, 2), xpd = T)
x <- apply(cbind(front, back), 1, function (ft){
    segments(ft[1], ft[2], ft[3], ft[4])
})
segments(front[1,1], front[1,2], back[2,1], back[2,2], lwd = 2)
segments(front[3,1], front[3,2], back[2,1], back[2,2], lwd = 2)
segments(front[1,1], front[1,2], front[3,1], front[3,2], lwd = 2)

$\triangle ACF$の面積を求めよ

$$ \begin{align} \triangle ACF = \frac{1}{2}(AC\sin\angle CAF)AF = 5\sqrt{1-\frac{64}{125}}\sqrt{5} = \sqrt{61} \end{align} $$

5

aを定数とする。2次不等式 $x^2-x+a-2 \geqq 0$および$2x^2-4x+a-12 \leqq 0$の両方を満たす$x$が存在するときの$a$の範囲を求めよ。

$$ \begin{align} x^2-x+a-2 &= 0 \\ x &= \frac{1\pm\sqrt{1-4(a-2)}}{2} = \frac{1\pm\sqrt{9-4a}}{2} \\ x^2-x+a-2 \geqq 0 \\ x \leqq \frac{1-\sqrt{9-4a}}{2},\frac{1+\sqrt{9-4a}}{2} \leqq x \\ 2x^2-4x+a-12 &= 0 \\ x &= \frac{2\pm\sqrt{4-2(a-12)}}{2} = \frac{2\pm\sqrt{28-2a}}{2} \\ 2x^2-4x+a-12 \leqq 0 \\ \frac{2-\sqrt{28-2a}}{2} \leqq x \leqq \frac{2+\sqrt{28-2a}}{2} \\ \end{align} $$

実数解が存在するためには$9-4a\geqq0 かつ 28-2a\geqq0$ よって$a\leqq\frac{9}{4} \cdots$ 条件1

下の図の青色の線が$y = x^2-x+a-2$で緑色の線が$y= 2x^2-4x+a-12$を示す。 青の放物線の軸は$x = -\frac{1}{2}$で、緑のほうは$x = 1$である。 青が0以上で、緑が0以下であるxの範囲は右側のほうが広い(つまりxが存在条件が広い)。 青放物線がx軸と交わるときのx座標が緑放物線とのものより小さければ条件を満たすことができる。よって次式が成り立つ。 $$ \begin{align} \frac{1+\sqrt{9-4a}}{2} &\leqq \frac{2+\sqrt{28-2a}}{2} \\ 1-2\sqrt{9-4a} + 9-4a &\leqq 28-2a \\ -\sqrt{9-4a} &\leqq 9+a \\ \sqrt{9-4a} &\geqq -(9+a) \\ \end{align} $$ $9+a > 0$のとき$a > -9$ かつ$9-4a > 0$ よって $ -9 < a < \frac{9}{4} \cdots$ 条件2

$9+a <0$のとき $$ \begin{align} 9-4a &> 81 +18a + a^2 \\ a^2 +22a + 72 &< 0 \\ -18 &< a < -4 \cdots 条件3 \\ \end{align} $$ 条件1-3を合わせると $ -18 < a < \frac{9}{4} $

In [6]:
curve(2*x^2-4*x-12, from = -4, to = 6, col = 'green', axes = FALSE, xlab = "", ylab = "")
curve(x^2-x-2, col = 'blue', add = T)
abline(h = 0)
abline(v = 0)
abline(v = 1/2, col = 'blue', lty = 'dashed')
abline(v = 1, col = 'green', lty = 'dashed')

6

最初を0点とし、コインを投げて表が出れば1点、裏が出れば-2点を加算する。コインを7回投げたあと、得点が4点となる確率を求めよ。

7回全て表の場合最高の7点が得られる。6回表で1回裏であるとき4 (= 6 - 2)点となる。 よって$ (\frac{1}{2})^7\cdot 7 = \frac{7}{128} $

3点以下の確立を求めよ。

得点
0 -14
1 -11
2 -8
3 -5
4 -2
5 1
6 4
7 7

7回表 + 6回表 = $ (\frac{1}{2})^7 + \frac{7}{128} = \frac{7}{128} = \frac{1}{16} $

3点以下 = $ 1 - (\frac{1}{16}) = \frac{15}{16} $

7

10個の値(4, 5, 7, 5, 7, 4, 6, 4, 5, x) の平均値が5.5であるとき、xを求めよ。

$$ \begin{align} 4\cdot 3 + 5 \cdot 3 + 6 \cdot 1 + 7 \cdot 2 + x &= 55 x &= 8 \end{align} $$

分散を求めよ

$ (1.5^2)\cdot (3 + 2) + (0.5 ^ 2) \cdot (3 + 1) + 2.5^ 2 = 18$

8

半径2の円に1辺の長さが1の長方形が内接しているとき、もう1辺の辺の長さを求めよ

$ \sin{\theta} = \frac{1}{2} のとき \cos{\theta} = \sqrt{1 - (\frac{1}{2})^2} = \frac{\sqrt{3}}{2} よって\sqrt{3}$

In [7]:
t <- (0:100) / 100
r <- 2
plot(r * cos(t * 2 * pi), r * sin(t * 2 * pi), type = 'l', xlab = 'x', ylab = 'y')
abline(h = 0); abline(v = 0);
theta <- asin(1/2)
x <- r * cos(theta); y <- r * sin(theta)
polygon(c(x, x, -x, -x), c(y, -y, -y , y))
segments(0, 0, x, y)
polygon(0.4 * cos(t * theta), 0.4 * sin(t * theta))
text(0.5 * cos(0.5 * theta / 2), 0.5 * sin(0.5 * theta / 2), labels = "θ", adj = c(1, 0))