099 | 令和6年度前期 | 東京工業大学 | 理系 | ・・・ | 数列・極限(数B・V) | 標準 |
東京工業大学 前期理系(2024)
第3問 xy 平面上に、点A(a,0)、B(0,b)、C(−a,0) (ただし、0<a<b) をとる。点A、
Bを通る直線をLとし、点Cを通り線分BCに垂直な直線をKとする。
さらに、点Aを通り y 軸に平行な直線と直線Kとの交点をC1とし、点Gを通り x 軸に平行な
直線と直線Lとの交点をA1とする。以下、n=1、2、3、・・・ に対して、点Anを通り y 軸に
平行な直線と直線Kとの交点をCn+1、点Cn+1を通り x 軸に平行な直線と直線Lとの交点を
An+1とする。
(1) 点An、Cn の座標を求めよ。
(2) △CBAnの面積Snを求めよ。
(3) limn→∞ BAn/BC を求めよ。
(解)(1) 直線Lの方程式は、y=−(b/a)x+b で、
直線Kの方程式は、y=−(a/b)(x+a) となる。
このとき、 C1(a,−2a2/b) 、A1(a(2a2+b2)/b2,−2a2/b) である。
Cn(xn,yn) とおくと、yn=−(a/b)(xn+a) で、
An((a/b)2(xn+a)+a,−(a/b)(xn+a))
なので、 Cn+1((a/b)2(xn+a)+a,−(a/b)3(xn+a)−2a2/b)
以上から、 xn+1=(a/b)2(xn+a)+a が成り立つ。
xn+1−(b2+a2)a/(b2−a2)=(a/b)2(xn−(b2+a2)a/(b2−a2)) 、x1=a から、
xn−(b2+a2)a/(b2−a2)=(a−(b2+a2)a/(b2−a2))(a/b)2n-2
よって、 xn=(b2+a2)a/(b2−a2)−2a3/(b2−a2)・(a/b)2n-2
このとき、Cnの y 座標ynは、
yn=−(a/b)((b2+a2)a/(b2−a2)−2a3/(b2−a2)・(a/b)2n-2+a)
=−(b2+a2)a2/(b(b2−a2))+2a3/(b2−a2)・(a/b)2n-1−a2/b
=−2a2b/(b2−a2)+2a3/(b2−a2)・(a/b)2n-1
=−2a2b/(b2−a2)+2a2b/(b2−a2)・(a/b)2n
=2a2b/(b2−a2)・((a/b)2n−1)
同様にして、An(un,vn) とおくと、
un=(a/b)2(xn+a)+a
=(b2+a2)a3/(b2(b2−a2))−2a3/(b2−a2)・(a/b)2n+a3/b2+a
=a(b2+a2)/(b2−a2)−2a3/(b2−a2)・(a/b)2n
vn=−(a/b)(xn+a)
=−2a2b/(b2−a2)+2a3/(b2−a2)・(a/b)2n-1
=−2a2b/(b2−a2)+2a2b/(b2−a2)・(a/b)2n
=2a2b/(b2−a2)・((a/b)2n−1)
(2) △CBAn=△CBA・(BAn/BA)=△CBA・(un/a)
(1)より、un=a(b2+a2)/(b2−a2)−2a3/(b2−a2)・(a/b)2n なので、
un/a=(b2+a2)/(b2−a2)−2a2/(b2−a2)・(a/b)2n
また、△CBA=ab なので、
Sn=ab(b2+a2)/(b2−a2)−2a3b/(b2−a2)・(a/b)2n
となる。
(3) (2)と同様にして、BC=BA なので、 BAn/BC=BAn/BA=un/a
ここで、 un/a=(b2+a2)/(b2−a2)−2a2/(b2−a2)・(a/b)2n
条件より、0<a<b なので、 0<a/b<1
よって、 n → ∞ のとき、 (a/b)2n→ 0 なので、
limn→∞ BAn/BC =(b2+a2)/(b2−a2) (終)
(コメント) (2)(3)と比べて、(1)の計算が大変でした!
以下、工事中!