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定義からして真面目に計算できそうに見えないので不等式を使うわけですが,その使い方がポイントです. 誘導は要るのだろうかと解いているときは思いましたが,無ければそれなりに難しくなるのでいいバランスなのかもしれません. (2)は程よい難易度で,多少の試行錯誤から方針を立てられると思います. 楕円上の四角形を考察する問題です. (1)は誘導,(2)も一応(3)の誘導になっていますが,そこまで強いつながりではありません. (1) 楕円の式に$y = ax + b$を代入した \frac{x^2}{4} + (ax + b)^2 = 1 が相異なる2実解を持つことが必要十分条件になります. 東工大受験対策！東工大受験の難易度や合格に向けての勉強法を解説 | 四谷学院大学受験合格ブログ. 4a^2 - b^2 + 1 > 0. (2) (1)で$P, Q$の$x$座標 (または$y$座標) をほぼ求めているのでそれを使うのが簡単です. $l, m$の傾きが$a$であることから,$P, Q$の$x$座標の差と,$S, R$の$x$座標の差が等しいことが条件と言えて, 結局 c = -b が条件となります. (3) 方針① (2)で各点の$x$座標を求めているので,そのまま$P, Q, R, S$の成分表示で考えていきます. \begin{aligned} \overrightarrow{PQ} \cdot \overrightarrow{PS} &= 0 \\ \left| \overrightarrow{PQ} \right| &= \left| \overrightarrow{PS} \right| \end{aligned} となることが$PQRS$が正方形となる条件なのでこれを実際に計算します. 少し汚いですが計算を進めると,最終的に各辺が座標軸と平行な,$\left(\pm \frac{2}{\sqrt{5}}, \pm \frac{2}{\sqrt{5}}\right)$を頂点とする正方形だけが答えと分かります. 方針② (2)から$l, m$が原点について点対称となっていることが分かるのでこれを活用します. 楕円$E$も原点について点対称なので,$P$と$R$,$Q$と$S$は点対称な点で,対角線は原点で交わります. 正方形とは長さが等しい対角線が中点で直交する四角形のことなので,楕円上の正方形の$4$頂点は$1$点の極座標表示$r, \theta$だけで表せることが分かり,$4$点全てが楕円上に乗るという条件から方針①と同様の正方形が得られます.
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これらを合わせ,求める体積は V = V_1 - V_2 -V_3 = \frac{\pi}{24} - \frac{4}{3}\pi a^3, V = V_1 - V_2 -V_3 = \frac{3}{64}\pi - \frac{a}{16}\pi と計算できます. (1)は(2)の誘導なのだと思いますが,ほぼボーナス問題. 境界は曲率円になっていますが本問では特に意味はありません. (2)も解き方は(1)とほとんど変わらず,ただ少し計算量が増えているのみです. 計算量は多少ありますが,そもそも$x \ll 1$なら$x^2 - x^4$と$x^2$はほぼ同じグラフですからほとんど結果は見えています. なお,このことを利用して$a = \frac{1}{2}$の付近だけを検討するという論法も考えられます. $a = \frac{1}{2}$で含まれるなら$a \leqq \frac{1}{2}$でも含まれることはすぐに示せるので,$a > \frac{1}{2}$では含まれず,$a = \frac{1}{2}$で含まれることを示せばほとんど終了です. (3)は(2)までが分からなくても計算可能で,関連はあっても解く際には独立した問題です. $V_3$は$y$軸,$V_2$は$x$軸で計算すると比較的計算しやすいと思います. この大問はやることが分かりやすく一直線なので,時間をかければ確実に得点できます. 計算速度次第ですが優先したい問題の一つではあるでしょう. このブログの全記事の一覧を用意しました.年度別に整理してあります. 過去問解説記事一覧【年度別】
概要 ※この記事は当ブログ管理人一個人の私的な見解です. ※数学のみの講評です.いわゆる解答速報ではない上,他の科目はやりません. この記事は2021年東工大一般入試の,数学の問題についての雑感です. いわゆる講評で解答速報ではありません. また,略解は一部載せていますが,例年と違って他者の確認を経ていないので,自分で検証できる人だけ参考にしてください. 関連記事 去年の東工大入試の講評 目次 2021年東工大一般入試雑感 設問の難易度等 設問の分野・配点,設問の難易度の目安 試験全体の難易度 試験全体の構成 総評 各大問の解答の方針と講評 第一問 場合の数・数列, 60点 第一問の解答 概要 (第一問) 方針・略解 (第一問) 講評 (第一問) 第二問 平面図形, 60点 第二問の解答 概要 (第二問) 方針・略解 (第二問) 講評 (第二問) 第三問 整数, 60点 第三問の解答 概要 (第三問) 方針・略解 (第三問) 講評 (第三問) 第四問 ベクトル, 60点 第四問の解答 概要 (第四問) 方針・略解 (第四問) 講評 (第四問) 第五問 軌跡・領域・微積分, 60点 第五問の解答 概要 (第五問) 方針・略解 (第五問) 講評 (第五問) まずは設問別の難易度評価から. ただ,他年度との比較はまだ行っていませんので,とりあえず「単年度」でのおおまかな難易度評価だけざっと述べておきます. そういう訳で,これまでの難易度評価との互換性はありません. 以下では,他の設問と比べて易しい問題は「易」,難しい問題は「難」,残りを「標」としています. 場合の数・数列, 60点 易 標 平面図形, 60点 難 整数, 60点 ベクトル, 60点 軌跡・領域・微積分, 60点 ※いつもより主観的なので注意. どの大問も(1)はかなり簡単で,時間もほとんどかからないと思います. 一方,第二問,第三問の(3)が比較的難しめです. 第一問(2)や,第三問(2),第四問(3)も気づけば簡単ですが「ハマる」ときがありそうな問題です. どれもそこまで難しい問題ではありませんが,全てを真面目に解こうとするとかなり忙しくなります. なお,「易」のなかでは第五問(2)が難しめです.逆に「標」の第四問(2)は易しめです. 残りの問題はそれこそ「標準的」と言えそうな問題ばかりで,多少の実験,観察,計算によって正解しうる問題です.
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