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Pro Plan専用マップで製作されたクイズ
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数学

数II 10. 図形と方程式(4)軌跡と領域⭐

まなぶてらす じょん先生
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公開クイズ

問題 1

OX

【軌跡】⭐ 軌跡とは,【与えられた条件を満たす点,または,満たしながら動く点】がえがく図形のこと 動く点 → (s, t) とおく 軌跡 → (x, y) とおく s, t を消去して,x, y だけの式にする! それが軌跡の方程式 その図形上の点が条件を満たしているか確かめる

問題 2

OX

2点 A(0, 2), B(4, 0) に対して,AP=BP を満たす点P の軌跡を求めよ。 答え 直線 2x-y-3=0

ヒント

点P の座標を (x, y) とすると AP=BP だから √{(x-0)²+(y-2)²}=√{(x-4)²+(y-0)²}(もちろん最初からAP²=BP²の方がラク) 両辺を 2乗して整理すると 2x-y-3=0 …① したがって 点P は直線①上にある。 逆に,この直線上の全ての点P(x, y) について,AP=BP が成り立つ。 求める軌跡は 直線 2x-y-3=0 である。 点P の軌跡の方程式は,線分AB の垂直二等分線だね

問題 3

OX

2点 A(0, 0), B(5, 0) からの距離の比が 2:3 である点P の軌跡を求めよ。 答え 点(-4, 0) を中心とする半径 6の円 2点 A, B からの距離の比が m:n である点P の軌跡 (m>0, n>0) [1] m=n の時,線分AB の垂直二等分線 [2] m≠m の時,線分ABを m:n に内分する点と,外分する点を直径の両端とする円【アポロニウスの円】

ヒント

点P の座標を (x, y) とすると AP:BP=2:3 だから 3AP=2BP 3√{(x-0)²+(y-0)²}=2√{(x-5)²+(y-0)²} (もちろん最初から9AP²=4BP²の方がラク) 両辺を 2乗して整理すると x²+y²+8x-20=0 つまり (x+4)²+y²=6² …① 条件を満たす点P は 円① 上にある。 逆に,この円上のすべての点P(x,y) は,条件を満たす。

問題 4

OX

点Q が円 x²+y²=4 上を動く時,点 A(4, 0) と点Qを結ぶ線分 AQ の中点P の軌跡を求めよ。 答え 点(2, 0) を中心とする半径 1の円

ヒント

点P, Q の座標をそれぞれ (x, y), (s, t) とすると s²+t²=4 …① x=(s+4)/2 …② y=t/2 …③ ①②③より (2x-4)²+(2y)²=4 つまり (x-2)²+y²=1² …④ 条件を満たす点P は 円④ 上にある。 逆に,この円上のすべての点P(x,y) は,条件を満たす。

問題 5

OX

【直線と領域】⭐ 直線ℓ の式を y=mx+n とすると以下の式の表す領域は y>mx+n 直線ℓ の上側の部分 y<mx+n 直線ℓ の下側の部分 ともに境界線を含まない (≧や≦なら境界線を含む) これらは暗記ではなく式の意味から明らか! y=mx+n は直線の式だから y>mx+n → y が それより大きい → y は上に行くほど大きくなる → 直線より上側

問題 6

選択式

図の色のついた部分の領域を表す式を書け。ただし,境界線を含まない。(答えは一つとは限らない)

  • 2x+y-3<0
  • y<-2x+3
  • 2x+y-3>0
  • y>-2x+3
  • 2x+y-3≦0

問題 7

選択式

図の色のついた部分の領域を表す式を書け。ただし,境界線を含む。

  • x>2
  • x<2
  • x≧2
  • x≦2

問題 8

OX

【円と領域】⭐ 円C の式を (x-a)²+(y-b)²=r² とすると (x-a)²+(y-b)²<r² 円C の内部 (x-a)²+(y-b)²>r² 円C の外部 ともに境界線を含まない これらは暗記ではなく式の意味から明らか! (x-a)²+(y-b)² は点(a, b) からの距離だから → r が それより小さい → その点は半径r まで到達しない → 円Cの内部

問題 9

選択式

図の色のついた部分の領域を表す式を書け。ただし,境界線を含む。(答えは一つとは限らない)

  • (x+2)²+(y-1)²≦5
  • (x+2)²+(y-1)²≧5
  • x²+y²+4x-2y≦0
  • x²+y²+4x-2y≧0
  • (x-2)²+(y+1)²≦√5

問題 10

選択式

図の網掛けが重なった部分の領域を表す連立不等式を書け。ただし,境界線を含まない。

  • x+y-2<0, x-y<0
  • x+y-2>0, x-y>0
  • x+y-2<0, x-y>0
  • x+y-2>0, x-y<0

問題 11

選択式

図の網掛けが重なった部分の領域を表す連立不等式を書け。ただし,境界線を含まない。

  • x²+y²>25, 2x+y>4
  • x²+y²>25, 2x+y<4
  • x²+y²<25, 2x+y>4
  • x²+y²<25, 2x+y<4

問題 12

選択式

次の連立方程式の表す領域のはどれか。また,境界線について正しいのはどれか。 x² + y² ≦ 9 x - y < 2

  • (ア)ただし,境界線を含む。
  • (イ)ただし,境界線は,円周および直線を含み,直線と円周の交点を含まない。
  • (ウ)ただし,境界線は,円周を含み,直線および,直線と円周の交点を含まない。
  • (ア)(イ)(ウ)いずれも正しくない。
ヒント

求める領域は 円 x² + y² = 9 の周および内部と 直線 y = x - 2 の上側の 共通部分である!

問題 13

OX

【連立不等式の表す領域 A×B>0 など】⭐ A×B>0 ↓ AとBの積が正だから,AとBは同符号,つまり,プラスとプラスの場合かマイナスとマイナス ↓ A>0, B>0 または A<0, B<0 ↓ それぞれの不等式の表す領域の共通部分を解とする A×B<0 ↓ AとBの積が負だから,AとBは異符号,つまり,プラスとイナス ↓ A>0, B<0 または A<0, B>0

問題 14

選択式

図の色のついた部分の領域を表す連立不等式を書け。ただし,境界線を含まない。(答えは一つとは限らない)

  • A. (x-y+1)(x+y-1)<0
  • B. (x-y+1)(x+y-1)>0
  • C. x-y+1<0 かつ x+y-1>0
  • D. x-y+1>0 かつ x+y-1<0
  • E. x-y+1<0 かつ x+y-1<0
ヒント

色のついた領域は 直線 y=x+1 の上側の部分(y>x+1 つまり x-y+1<0)と 直線 y=-x+1 の上側の部分(y>-x+1 つまり x+y-1>0)との積集合(共通部分) または 直線 y=x+1 の下側の部分(y<x+1 つまり x-y+1>0)と 直線 y=-x+1 の下側の部分(y<-x+1 つまり x+y-1<0)との積集合(共通部分) 実は簡単なやり方がある! 色のついた領域にある 1点,例えば (0, 2) を (x-y+1)(x+y-1) に代入すると(-2)×1<0 になるから A が正解! →領域は交互に現れる A. の式から C. D. も分かる

問題 15

OX

x, y が y≧x, y≦2x, x+y≦2 を満たす時,2x+yの最大値・最小値は? 答え 領域は図の境界を含む斜線部分 2x+y=kとおくと y=-2x+k これは傾き-2でkの値によって上下に平行移動する直線 よって,2x+yつまりkの 最小値は原点を通る時だから k=2・0+0=0 (x=0, y=0) 最大値は (1, 1)を通る時だから k=2・1+1=3 (x=1, y=1)

ヒント

領域は図の境界を含む斜線部分である。 求めるのは 2x+y の最大値と最小値だが x, y のとる値には“制限”がある。 そこで 2x+y=k とおき,変形した y=-2x+k の式で k つまり切片が最大・最小となるのが,示された領域の 端点・頂点・接点等の (x, y) である。

問題 16

OX

【領域を利用した証明法】 x²+y²<1 ならば x²+y²<2x+3 であることを証明せよ。 答え 不等式 x²+y²<1 の表す領域をP,不等式 x²+y²<2x+3 の表す領域をQ とする。 Pは原点を中心とし,半径1の円の内部である。 Qは点(1,0)を中心とし,半径2の円の内部である。 図から P⊂Q である。 よって, x²+y²<1 ならば x²+y²<2x+3 である。

問題 17

OX

【放物線と領域】⭐ 放物線 y=x² とすると以下の式の表す領域は y>x² 放物線の上側の部分:P y<x² 放物線の下側の部分:Q ともに境界線を含まない (≧や≦なら境界線を含む) これらは暗記ではなく式の意味から明らか! y=x² は放物線の式だから y>x² → y が それより大きい → y は上に行くほど大きくなる → 放物線より上側 ただし,境界線を含まない

問題 18

OX

点(3, 1) を通り 円 x²+y²=5 に接する直線の方程式を求めよ,の解き方は?(ヒントも) 【円の接線の求め方:パターン1】接点を(x₁, y₁) とおいて⭐ 【中心が原点の円 x²+y²=r² 上の点(x₁, y₁) における接線 x₁x+y₁y=r²】を利用 接線だけでなく接点も求める時に適する! ただし,中心が原点の時の式しか x₁x+y₁y=r² は使えないことに注意!

ヒント

接点を (x₁, y₁) とおくと x₁²+y₁²=5 …①(接点は円上にあるから) 接線の方程式は x₁x+y₁y=5 …② ②が点 (3, 1)を通るから 3x₁+y₁=5 …③ ③を①に代入して x₁=1, 2 よって x₁=1 の時 y₁=2 x₁=2 の時 y₁=-1 したがって x+2y=5, 2x-y=5

問題 19

OX

点(3, 1) を通り 円 x²+y²=5 に接する直線の方程式を求めよ,の解き方は? 【円の接線の求め方:パターン2】傾きをmとおいて⭐ 【判別式=0】を利用 判別式を利用した解き方で,放物線など,円以外の 2次曲線にも広く使える! やや計算が面倒なのが難点だが,利用範囲は広い!

ヒント

点(3, 1) を通る傾きmの直線は y=m(x-3)+1 x²+y²=5 に代入 x²+{m(x-3)+1}²=5 x²+m²(x-3)²+2m(x-3)+1=5 (m²+1)x²+(-6m²+2m)x+9m²-6m-4=0 (m²+1)x²-2m(3m-1)x+9m²-6m-4=0 接する条件は判別式D=0だから D/4=m²(3m-1)²-(m²+1)(9m²-6m-4) =9m⁴-6m³+m²-(9m⁴-6m³+5m²-6m-4) =-4m²+6m+4=0 つまり 2m²-3m-2=0 (2m+1)(m-2)=0 m=-1/2, 2 よって y=-1/2 x+5/2, y=2x-5

問題 20

OX

点(3, 1) を通り 円 x²+y²=5 に接する直線の方程式を求めよ,の解き方は? 【円の接線の求め方:パターン3】 【中心と接線との距離=半径】を利用⭐イチオシ! 点と直線の距離の公式【点P(x₁, y₁) と直線ℓ ax+by+c=0 の距離 d は d=|ax₁+by₁+c|/√(a²+b²)】を使う鮮やかな解法! (今回は原点が中心だが)原点以外に中心をもつ円の時に特に有効!

ヒント

点(3, 1) を通る傾きmの直線は y=m(x-3)+1 mx-y-3m+1=0 …①(公式が使える形に変形) 円の半径は,中心(0, 0) から直線①までの距離だから |m・0-0-3m+1|/√{m²+(-1)²}=√5 |-3m+1|=√5√(m²+1) 両辺を 2乗して 9m²-6m+1=5(m²+1) 2m²-3m-2=0 (2m+1)(m-2)=0 m=-1/2, 2 よって y=-1/2 x+5/2, y=2x-5

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