この範囲の全体像

数I・Aのまとめ、数II・Bのまとめは、それぞれ単独の学年の総復習として別ページにある。このページはその2つを並べただけの寄せ集めではない。数I・Aで手に入れた道具が、数II・Bでどう姿を変えて伸びていくかを、実際の問題を解きながら体感するためのページである。各問題は、数I・Aで下ごしらえをする問題と、数II・Bでその続きを仕上げる問題が、1番と21番、3番と23番のように番号のペアで結びつく構成になっている。

いちばんわかりやすい伸び方は、2次関数の「平方完成」である。数Iでは\(y=(x-p)^2+q\)の形に整理して頂点を見れば最大値・最小値が求まった。数IIの微分法は、この考え方を一般の関数に広げたもので、\(f'(x)=0\)となる\(x\)を境目に増減表をつくれば、2次関数だけでなく3次関数以上でも同じことができる。実際、2次関数のときは平方完成でも微分でも同じ答えにたどり着く(1番・21番・46番で実際に2通りの解き方を比べる)。図1は\(f(x)=x^3-3x+2\)のグラフで、平方完成という道具が通用しない世界で、微分の増減表が代わりの役目を果たす様子を示している。

2つ目の伸び方は「測る」道具の広がりである。数Iの図形と計量では、三角比は\(0°\)から\(180°\)の角度でしか定義されなかった。数IIの三角関数は、この定義を一般角・ラジアンにまで拡張し、さらに\(\sin,\cos\)を波として扱えるようにする。角度をラジアンで扱えるようになると、三角比の値を組み合わせた\(a\sin\theta+b\cos\theta\)という式を「合成」して1つの波にまとめ、最大値・最小値を一瞬で求められるようになる(2番・22番・47番)。同じ「角度と辺の比で図形を測る」という数Iの発想は、数IIでは「座標平面に置いて式で測る」という発想(8番・28番・52番の図形と方程式)にも枝分かれしていく。

3つ目の伸び方は「数える」道具である。数Aの場合の数・確率で身につけた順列・組合せ・反復試行の確率は、数Bでは「確率変数」「二項分布」という言葉で言い換えられる。反復試行の確率の公式\({}_n\mathrm C_r\,p^r(1-p)^{n-r}\)は、実は二項分布\(B(n,p)\)の確率そのものであり、期待値の公式\(E(X)=np\)は、数Aで1つずつ数えていた計算を一言でまとめたものにすぎない(4番・24番・49番)。同じ「数える」道具は数列にもつながり、確率が毎回移り変わる場面を数列の漸化式で表す「確率と漸化式」という融合分野が生まれる(3番・23番・48番)。

4つ目の伸び方は「論証する」姿勢である。数Iの集合と命題で学ぶ対偶・必要十分条件と、数IIの式と証明で学ぶ「差をとって0以上(または0以下)であることを示す」という不等式証明の型は、対偶で示すべき形に言い換えたあと、その先を差の不等式で片づける、という連携ができる(5番・25番・41番)。数Aの整数の性質で扱う倍数の判定も、数Bの数学的帰納法を使えば「すべての自然数について」という一般の主張として証明できるようになる(6番・26番・50番)。

バラバラに見える数I・Aと数II・Bが、実は「式を整理する」「測る」「数える」「論証する」という少数の考え方の上に積み重なってできていることを意識しながら、高校数学の総仕上げに取り組もう。

科目まとめへのリンク

この総復習で手が止まった単元があれば、まず該当する科目のまとめページに戻って確認しよう。

  1. 数I まとめ ― 数と式・集合と命題・2次関数・図形と計量・データの分析の5章を1科目として総復習する。
  2. 数A まとめ ― 場合の数と確率・図形の性質・整数の性質(数学と人間の活動)の3章を総復習する。
  3. 数II まとめ ― 式と証明・複素数と方程式・図形と方程式・三角関数・指数関数と対数関数・微分法と積分法の6章を総復習する。
  4. 数B まとめ ― 数列・統計的な推測の2章を総復習する。
  5. 数I・A まとめテスト ― 数Iと数Aをあわせた学年総合の実戦テスト(全60問+共通テスト形式チャレンジ)。
  6. 数II・B まとめテスト ― 数IIと数Bをあわせた学年総合の実戦テスト(全60問+共通テスト形式チャレンジ)。

このページはさらにその先――数I・Aと数II・Bを1つにつなげた視点で、高校数学全体を仕上げる。

要点の総整理 同じ問題が2通りで解ける場面

数I・Aで習った方法と、数II・Bで習った方法の、両方が使える場面がいくつもある。同じ答えにたどり着くことを確かめながら、どちらが速いか・どちらが一般的かを意識しよう。

2次関数の最大最小
数I:平方完成で頂点を見る。
数II:微分して\(f'(x)=0\)を解く。
2次関数ではどちらも同じ答え。3次以上では微分だけが使える。
三角形の辺の長さ
数I:余弦定理・正弦定理を直接使う。
数II:座標平面に頂点を置き、2点間の距離の公式で計算する。
角度が使えるかどうかで使い分ける。
倍数であることの証明
数A:小さい\(n\)で実際に計算して確かめる。
数B:数学的帰納法で、すべての自然数\(n\)について一気に証明する。
「確かめる」から「証明する」への発展。
使い分けの目安 具体的な数値・角度だけが与えられているなら数I・Aの方法で速く解ける。「一般の\(n\)について」「区間が動く」「\(\sin\)と\(\cos\)が混ざる」など、数I・Aの公式だけでは対応しきれない場面が出てきたら、数II・Bの道具(微分・座標・帰納法・合成)に切り替える、と覚えておこう。

要点の総整理 数I・Aの言葉が数II・Bでどう言い換わるか

同じ内容なのに、科目が変わると呼び方が変わる場面が多い。表で対応関係を整理しておこう。

数I・Aで習った形数II・Bでの言い換え
判別式\(D\)で「実数解の個数」を数える\(D\)が負でも複素数の範囲まで含めれば必ず2つの解がある(29番)
反復試行の確率\({}_n\mathrm C_r\,p^r(1-p)^{n-r}\)確率変数\(X\)が従う二項分布\(B(n,p)\)の確率(24番)
データの平均値・分散確率変数の期待値\(E(X)\)・分散\(V(X)\)(27番)
対偶・背理法を使った証明差をとって0以上(以下)を示す不等式証明の型(25番)
三角比(\(0°\)〜\(180°\))一般角・ラジアンに拡張した三角関数(34番)
2次関数を平方完成して頂点から最小値を読む微分して増減表をつくり、3次以上の関数でも最小値を求める(1番・21番・46番)

要点の総整理 「差をとって比べる」という証明の型

数Iの対偶・背理法も、数IIの不等式証明も、いきなり結論を目指さず、仮定から出発してすでにわかっている事実に結びつける、という進め方が共通している。それは「示したいことの否定や差をつくり、それが矛盾する(あるいは0以上・0以下になる)ことを、すでにわかっている事実から示す」という進め方である。

数Iで学ぶ対偶 ― 「\(A\)ならば\(B\)」を示すには、対偶「\(B\)でないならば\(A\)でない」を示せばよい
↓
数IIの不等式証明 ― \(A\ge B\)を示すには\(A-B\)を計算し、それが0以上になることを示す(5番・25番)
↓
数Bの数学的帰納法 ― \(n=k\)で成り立つと仮定し、\(n=k+1\)の式を\(n=k\)の式との差や倍数関係で表して示す(6番・26番・50番)
つながりの正体 どの証明も、いきなり結論にたどり着こうとはしない。「仮定する→式を変形して差や倍数の形をつくる→すでにわかっている事実(0以上・0の倍数など)と結びつける」という同じ手順を繰り返している。数式の中身はまったく違っても、論理の運び方は数I・Aと数II・Bを通じて同じパターンが繰り返し使われていることに気づこう。
融合まとめテスト(全60問)

数I・A全8章と数II・B全8章をつなぐ融合演習、全60問。目標時間は90分。基本20問(数I・A側)と、それに対応する標準〜発展の問題(1番と21番、3番と23番のように番号のペアになっている)を解き比べながら進めよう。答えを入力して「採点」を押すと○×が出るぞ。分数は「-1/2」のように入力。
わからないときは「解説を見る」で解き方を確認しよう。

基本(1〜20)
1
融合:2次関数(数I)×微分法(数II)|同じ関数を2通りで解く

2次関数\(f(x)=x^2-6x+11\)について、(a)数Iの平方完成、(b)数IIの微分法、それぞれの方法で最小値を求めよ。

最小値  そのときの\(x\)
解説を見る
(a) 平方完成すると\(f(x)=(x-3)^2+2\)。頂点が\((3,2)\)なので最小値は\(2\)(\(x=3\)のとき)。 (b) \(f'(x)=2x-6\)。\(f'(x)=0\)を解くと\(x=3\)。これより前では\(f'(x)\lt0\)(減少)、これより後では\(f'(x)\gt0\)(増加)なので\(x=3\)で最小。\(f(3)=9-18+11=2\)。 どちらの方法でも同じ答えになる。2次関数の場合、平方完成の頂点の\(x\)座標と、微分して\(f'(x)=0\)となる\(x\)は必ず一致する。 最小値\(2\)(\(x=3\)のとき)
2
融合:三角比(数I)×三角関数(数II)|図形の量を三角比の値で計算する

\(0\lt\theta\lt\dfrac{\pi}{2}\)の範囲で、縦の長さ\(6\sin\theta\)、横の長さ\(6\cos\theta\)の長方形を考える。\(\theta=\dfrac{\pi}{6}\)のとき、この長方形の周の長さ\(L\)を求めよ。

\(L=\)
解説を見る
\(\theta=\dfrac{\pi}{6}=30°\)なので、数Iの三角比の値から\(\sin\dfrac{\pi}{6}=\dfrac12,\ \cos\dfrac{\pi}{6}=\dfrac{\sqrt3}{2}\)。 縦の長さ\(=6\times\dfrac12=3\)、横の長さ\(=6\times\dfrac{\sqrt3}{2}=3\sqrt3\)。 周の長さ\(L=2(3+3\sqrt3)=6+6\sqrt3\) \(L=6+6\sqrt3\)
3
融合:確率(数A)×数列(数B)|確率と漸化式

数直線上の点\(\mathrm P\)は、はじめ座標\(0\)にある。1回の操作で、座標\(0\)にある点は確率\(\dfrac23\)で座標\(1\)に移動し、確率\(\dfrac13\)でその場にとどまる。座標\(1\)にある点は、確率\(\dfrac23\)で座標\(0\)に戻り、確率\(\dfrac13\)でその場にとどまる。\(n\)回の操作の後に点\(\mathrm P\)が座標\(0\)にある確率を\(p_n\)とする。\(p_1,\ p_2\)を、場合を数えて直接求めよ。

\(p_1=\)  \(p_2=\)
解説を見る
1回目の操作で座標\(0\)にとどまる確率は\(\dfrac13\)なので、\(p_1=\dfrac13\)。 2回目に座標\(0\)にいるのは、(i)1回目も2回目もとどまる:\(\dfrac13\times\dfrac13=\dfrac19\)、(ii)1回目に座標\(1\)へ移動し、2回目に座標\(0\)へ戻る:\(\dfrac23\times\dfrac23=\dfrac49\)。この2つは同時に起こらないので確率を足して\(p_2=\dfrac19+\dfrac49=\dfrac59\)。 \(p_1=\dfrac13,\ p_2=\dfrac59\)
4
融合:確率(数A)×統計的な推測(数B)|反復試行と二項分布

1個のさいころを5回投げるとき、1の目がちょうど2回出る確率を、数Aの反復試行の確率の公式\({}_n\mathrm C_r\,p^r(1-p)^{n-r}\)を使って求めよ。

確率\(=\)
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1回の試行で1の目が出る確率は\(p=\dfrac16\)。5回中2回だけ1の目が出る場合の数は\({}_5\mathrm C_2\)通りなので \(P={}_5\mathrm C_2\left(\dfrac16\right)^2\left(\dfrac56\right)^3=10\times\dfrac{1}{36}\times\dfrac{125}{216}=\dfrac{1250}{7776}=\dfrac{625}{3888}\) \(\dfrac{625}{3888}\)
5
融合:集合と命題(数I)×式と証明(数II)|対偶を不等式証明につなげる

命題「実数\(x,y\)について、\(x+y\gt2\)ならば、\(x\gt1\)または\(y\gt1\)である」の対偶は「\(x\le1\)かつ\(y\le1\)ならば、\(x+y\le\boxed{?}\)である」となる。空欄に入る数を求めよ。

空欄\(=\)
解説を見る
元の命題の仮定と結論を入れかえて否定すると対偶ができる。「\(x\gt1\)または\(y\gt1\)」の否定は「\(x\le1\)かつ\(y\le1\)」、「\(x+y\gt2\)」の否定は「\(x+y\le2\)」。よって対偶は「\(x\le1\)かつ\(y\le1\)ならば\(x+y\le2\)」となる。対偶が真であることを示せば、もとの命題も真であることが分かる(対偶を用いた証明)。この対偶を実際に証明する作業は25番で行う。 \(2\)
6
融合:整数の性質(数A)×数学的帰納法(数B)|具体例で確かめてから一般化する

\(n\)が自然数のとき、\(4^n-1\)は3の倍数になる。\(n=1\)のときと\(n=3\)のときの\(4^n-1\)の値をそれぞれ求め、実際に3の倍数になっていることを確認せよ。

\(n=1\)のとき  \(n=3\)のとき
解説を見る
\(n=1\)のとき\(4^1-1=3=3\times1\)。\(n=3\)のとき\(4^3-1=64-1=63=3\times21\)。たしかにどちらも3の倍数になっている。\(n\)が大きくなるほど1つずつ確かめるのは大変なので、「すべての自然数\(n\)について成り立つ」ことを一気に示す数学的帰納法が26番で登場する。 \(n=1\)のとき\(3\)、\(n=3\)のとき\(63\)
7
融合:データの分析(数I)×統計的な推測(数B)|平均・分散の定義を確認する

5人の小テストの得点が\(4,\ 6,\ 7,\ 8,\ 10\)(点)のとき、数Iの定義\(\displaystyle s^2=\frac1n\sum(x_i-\bar x)^2\)を使って、平均値\(\bar x\)と分散\(s^2\)を求めよ。

平均\(\bar x=\)  分散\(s^2=\)
解説を見る
平均\(\bar x=\dfrac{4+6+7+8+10}{5}=\dfrac{35}{5}=7\)。 偏差は\(-3,-1,0,1,3\)で、2乗すると\(9,1,0,1,9\)、その和は\(20\)。 分散\(s^2=\dfrac{20}{5}=4\) 平均\(7\)点、分散\(4\)
8
融合:図形と計量(数I)×図形と方程式(数II)|座標を使わない解き方をまず確認する

\(\triangle\mathrm{ABC}\)で\(\mathrm{AB}=5,\ \mathrm{AC}=7,\ \angle\mathrm A=60°\)のとき、余弦定理を使って\(\mathrm{BC}\)を求めよ。

\(\mathrm{BC}=\)
解説を見る
余弦定理より \(\mathrm{BC}^2=\mathrm{AB}^2+\mathrm{AC}^2-2\cdot\mathrm{AB}\cdot\mathrm{AC}\cos60°=25+49-2\times5\times7\times\dfrac12=74-35=39\) \(\mathrm{BC}=\sqrt{39}\) \(\mathrm{BC}=\sqrt{39}\)
9
融合:2次関数(数I)×複素数と方程式(数II)|判別式で実数解の個数を判定する

2次方程式\(x^2-4x+7=0\)の判別式\(D\)を求め、実数解をもつかどうかを判定せよ。

\(D=\)  実数解の個数\(=\)
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\(D=(-4)^2-4\times1\times7=16-28=-12\) \(D\)が負なので、実数の範囲では解をもたない(実数解の個数は\(0\)個)。ただし数IIでは複素数の範囲まで考えるので、この方程式にも解は存在する。それを実際に求めるのが29番である。 \(D=-12\)、実数解は\(0\)個
10
融合:2次関数(数I)×式と証明(数II)|相加相乗平均で最小値を求める

\(x\gt0\)のとき、\(f(x)=x+\dfrac4x\)の最小値を、数IIの相加平均・相乗平均の関係を使って求めよ。

最小値\(=\)  そのときの\(x=\)
解説を見る
\(x\gt0,\ \dfrac4x\gt0\)で、積は\(x\times\dfrac4x=4\)(定数)。相加平均・相乗平均の関係より \(x+\dfrac4x\ge2\sqrt{x\times\dfrac4x}=2\sqrt4=4\) 等号は\(x=\dfrac4x\)、すなわち\(x^2=4\)、\(x\gt0\)より\(x=2\)のとき成り立つ。 最小値\(4\)(\(x=2\)のとき)
11
図形の性質(数A)|方べきの定理の値を直接計算する

円\(x^2+y^2=25\)の外部の点\(\mathrm P(7,0)\)を通り、円と2点\(\mathrm A(-5,0),\ \mathrm B(5,0)\)で交わる直線を考える。\(\mathrm{PA},\ \mathrm{PB}\)の長さと、方べきの定理で使う\(\mathrm{PA}\times\mathrm{PB}\)の値を求めよ。

\(\mathrm{PA}=\)  \(\mathrm{PB}=\)  \(\mathrm{PA}\times\mathrm{PB}=\)
解説を見る
\(\mathrm P(7,0)\)から\(\mathrm A(-5,0)\)までの距離は\(\mathrm{PA}=7-(-5)=12\)。\(\mathrm P\)から\(\mathrm B(5,0)\)までの距離は\(\mathrm{PB}=7-5=2\)。 \(\mathrm{PA}\times\mathrm{PB}=12\times2=24\) \(\mathrm{PA}=12,\ \mathrm{PB}=2,\ \mathrm{PA}\times\mathrm{PB}=24\)
12
融合:場合の数(数A)×式と証明(数II)|組合せの数と二項係数の一致

\((x+1)^4\)を実際に展開したときの\(x^2\)の係数と、数Aの組合せ\({}_4\mathrm C_2\)の値を、それぞれ求めて比較せよ。

展開したときの\(x^2\)の係数\(=\)  \({}_4\mathrm C_2=\)
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\((x+1)^4=x^4+4x^3+6x^2+4x+1\)なので\(x^2\)の係数は\(6\)。 一方\({}_4\mathrm C_2=\dfrac{4\times3}{2\times1}=6\)。 どちらも\(6\)で一致する。これは偶然ではなく、二項定理の一般項\({}_4\mathrm C_r\,x^{4-r}\)の\(r=2\)の場合そのものだからである。 どちらも\(6\)
13
式と証明(数II)|因数分解を割り算の視点で見直す準備

\(x^3-8\)を因数分解すると\((x-2)(x^2+\boxed{\text{ア}}\,x+\boxed{\text{イ}})\)となる。ア、イに入る数を求めよ。

ア\(=\)  イ\(=\)
解説を見る
立方の差の公式\(a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)\)を\(a=x,\ b=2\)で使う。 \(x^3-8=(x-2)(x^2+2x+4)\) ア\(=2\)、イ\(=4\)
14
融合:三角比(数I)×三角関数(数II)|度数法をラジアンに変換する

\(150°\)をラジアンで表し、数Iの三角比の値として\(\sin150°\)を求めよ。

ラジアン\(=\)  \(\sin150°=\)
解説を見る
\(180°=\pi\)ラジアンなので、\(150°=150\times\dfrac{\pi}{180}=\dfrac{5\pi}{6}\)。 \(\sin150°=\sin(180°-30°)=\sin30°=\dfrac12\) \(\dfrac{5\pi}{6}\)ラジアン、\(\sin150°=\dfrac12\)
15
融合:整数の性質(数A)×対数関数(数II)|実際に計算してから対数の威力を知る準備

\(2^{10}\)の値を実際に計算し、その値が何桁の数か答えよ。

\(2^{10}=\)  桁数\(=\)
解説を見る
\(2^{10}=1024\)。これは4桁の数である。指数が大きくなると実際に計算するのは大変になる――そこで役に立つのが数IIの常用対数である(35番)。 \(2^{10}=1024\)(4桁)
16
データの分析(数I)|3点が一直線上にあることを傾きで確かめる

変量\(x,y\)のデータが\((2,3),(4,7),(6,11)\)の3組ある。この3点はすべて同じ直線上にあることを確かめ、その直線を\(y=ax+b\)の形で求めよ。

\(a=\)  \(b=\)
解説を見る
\((2,3)\)と\((4,7)\)を結ぶ直線の傾きは\(\dfrac{7-3}{4-2}=2\)。\((4,7)\)と\((6,11)\)を結ぶ直線の傾きも\(\dfrac{11-7}{6-4}=2\)で一致するので、3点は一直線上にある。 \(y-3=2(x-2)\)より\(y=2x-1\) \(y=2x-1\)(\(a=2,\ b=-1\))
17
図形と方程式(数II)|条件を満たす点の集まりを求める

2点\(\mathrm A(0,0),\ \mathrm B(6,0)\)から等しい距離にある点\((x,y)\)が満たす条件を求めると、\(x=\boxed{?}\)(\(y\)は任意)となる。空欄に入る数を求めよ。

\(x=\)
解説を見る
\(\mathrm{PA}=\mathrm{PB}\)より\(\mathrm{PA}^2=\mathrm{PB}^2\)なので \(x^2+y^2=(x-6)^2+y^2\) \(x^2=x^2-12x+36\) \(12x=36,\ x=3\) \(x=3\)
18
融合:確率(数A)×数列(数B)|期待値の定義とΣの準備

1個のさいころを1回投げるとき出る目の期待値を、数Aの定義(それぞれの値×確率の総和)で求めよ。

期待値\(=\)
解説を見る
期待値\(=1\times\dfrac16+2\times\dfrac16+\cdots+6\times\dfrac16=\dfrac{1+2+3+4+5+6}{6}=\dfrac{21}{6}=3.5\) \(3.5\)(\(=\dfrac72\))
19
融合:図形の性質(数A)×三角関数(数II)|円に内接する四角形の対角の関係

円に内接する四角形\(\mathrm{ABCD}\)で\(\angle\mathrm A=30°\)のとき、\(\angle\mathrm C\)の大きさを求めよ。

\(\angle\mathrm C=\)
解説を見る
円に内接する四角形の対角の和は\(180°\)なので \(\angle\mathrm C=180°-30°=150°\) \(\angle\mathrm C=150°\)
20
整数の性質(数A)|不定方程式の整数解を求める

直線\(3x+2y=12\)上にあり、\(x,y\)がともに正の整数である点\((x,y)\)をすべて求めよ。

\(x=\)  \(y=\)
解説を見る
\(y=\dfrac{12-3x}{2}\)が正の整数になるには、\(12-3x\)が正の偶数である必要がある。\(3x\)が偶数になるのは\(x\)が偶数のときなので、\(x=2,4,6,\dots\)を試す。 \(x=2\)のとき\(y=\dfrac{12-6}{2}=3\)(正の整数、条件を満たす)。 \(x=4\)のとき\(y=\dfrac{12-12}{2}=0\)(正の整数ではないので不適)。\(x\ge4\)ではこれ以上正の整数解はない。 \((x,y)=(2,3)\)
標準(21〜45)
21
融合:2次関数(数I)×微分法(数II)|区間の端点に注意する

\(g(x)=-x^2+4x+1\)の、区間\(0\le x\le3\)における最大値と最小値を求めよ。

最大値\(=\)  最小値\(=\)
解説を見る
平方完成すると\(g(x)=-(x-2)^2+5\)。頂点は\((2,5)\)で、これは区間\([0,3]\)の内側にある。微分すると\(g'(x)=-2x+4\)で、\(g'(x)=0\)となるのも\(x=2\)。頂点が区間内なので最大値は\(5\)(\(x=2\))。 最小値は頂点ではなく区間の端点のどちらかにある。\(g(0)=1,\ g(3)=-9+12+1=4\)なので、小さい方の\(g(0)=1\)が最小値。 最大値\(5\)(\(x=2\))、最小値\(1\)(\(x=0\))
22
融合:三角比(数I)×三角関数(数II)|合成で最大値を求める

縦の長さ\(6\sin\theta\)、横の長さ\(6\cos\theta\)の長方形(\(0\lt\theta\lt\dfrac{\pi}{2}\))の周の長さ\(L(\theta)\)を三角関数の合成を使って最大にし、そのときの\(\theta\)と最大値を求めよ。

\(\theta=\)  最大値\(=\)
解説を見る
\(L(\theta)=2(6\sin\theta+6\cos\theta)=12\sin\theta+12\cos\theta\)。合成公式\(a\sin\theta+b\cos\theta=\sqrt{a^2+b^2}\sin(\theta+\alpha)\)を使うと、\(a=b=12\)より\(\sqrt{a^2+b^2}=12\sqrt2\)、\(\alpha=\dfrac{\pi}{4}\)(\(\cos\alpha=\sin\alpha=\dfrac{1}{\sqrt2}\)となる角)。 \(L(\theta)=12\sqrt2\sin\left(\theta+\dfrac{\pi}{4}\right)\) \(0\lt\theta\lt\dfrac{\pi}{2}\)の範囲で\(\sin\)が最大の\(1\)になるのは\(\theta+\dfrac{\pi}{4}=\dfrac{\pi}{2}\)、すなわち\(\theta=\dfrac{\pi}{4}\)のとき。 \(\theta=\dfrac{\pi}{4}\)のとき最大値\(12\sqrt2\)
23
融合:確率(数A)×数列(数B)|漸化式を立てて一般項を求める

3番の設定で、\(p_{n+1}\)を\(p_n\)の式で表すと\(p_{n+1}=-\dfrac13p_n+\dfrac23\)となる。この漸化式から\(p_n=\dfrac12+\dfrac12\left(-\dfrac13\right)^n\)が求まる(\(p_0=1\)として)。公比、\(p_3\)の値、\(p_4\)の値をそれぞれ求めよ。

公比\(=\)  \(p_3=\)  \(p_4=\)
解説を見る
漸化式\(p_{n+1}=-\dfrac13p_n+\dfrac23\)の特性方程式\(\alpha=-\dfrac13\alpha+\dfrac23\)を解くと\(\dfrac43\alpha=\dfrac23,\ \alpha=\dfrac12\)。 \(p_{n+1}-\dfrac12=-\dfrac13\left(p_n-\dfrac12\right)\)となるので、数列\(\left\{p_n-\dfrac12\right\}\)は初項\(p_0-\dfrac12=\dfrac12\)、公比\(-\dfrac13\)の等比数列。 \(p_n=\dfrac12+\dfrac12\left(-\dfrac13\right)^n\) \(p_3=\dfrac12+\dfrac12\times\left(-\dfrac{1}{27}\right)=\dfrac{27}{54}-\dfrac{1}{54}=\dfrac{26}{54}=\dfrac{13}{27}\) \(p_4=\dfrac12+\dfrac12\times\dfrac{1}{81}=\dfrac{81}{162}+\dfrac{1}{162}=\dfrac{82}{162}=\dfrac{41}{81}\) \(p_3=\dfrac{13}{27}\approx0.481,\ p_4=\dfrac{41}{81}\approx0.506\)と、\(n\)が大きくなるほど\(p_n\)は\(\dfrac12\)に近づいていく。 公比\(-\dfrac13\)、\(p_3=\dfrac{13}{27}\)、\(p_4=\dfrac{41}{81}\)
24
融合:確率(数A)×統計的な推測(数B)|二項分布の期待値・分散

4番のさいころを5回投げる試行で、1の目が出た回数を確率変数\(X\)とすると、\(X\)は二項分布\(B\left(5,\ \dfrac16\right)\)に従う。公式\(E(X)=np,\ V(X)=np(1-p)\)を使って期待値\(E(X)\)と分散\(V(X)\)を求めよ。

\(E(X)=\)  \(V(X)=\)
解説を見る
\(n=5,\ p=\dfrac16\)なので \(E(X)=5\times\dfrac16=\dfrac56\) \(V(X)=5\times\dfrac16\times\dfrac56=\dfrac{25}{36}\) \(E(X)=\dfrac56,\ V(X)=\dfrac{25}{36}\)
25
融合:集合と命題(数I)×式と証明(数II)|対偶を差の不等式で証明する

5番の対偶「\(x\le1\)かつ\(y\le1\)ならば\(x+y\le2\)」を、数IIの不等式証明の型(差をとって0以下を示す)で証明する。\(x\le1,\ y\le1\)のとき、\((x-1)\le0\)かつ\((y-1)\le0\)なので、和\((x-1)+(y-1)=x+y-2\le\boxed{?}\)となる。空欄に入る数を求めよ。

空欄\(=\)
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\(x\le1\)より\(x-1\le0\)、\(y\le1\)より\(y-1\le0\)。0以下の数どうしの和は0以下なので \((x-1)+(y-1)\le0\) 左辺を整理すると\(x+y-2\le0\)、すなわち\(x+y\le2\)が示せた。これで対偶が真だと分かったので、5番の元の命題も真である。 \(0\)
26
融合:整数の性質(数A)×数学的帰納法(数B)|整除性を一般のnで証明する

すべての自然数\(n\)について\(4^n-1\)が3の倍数であることを数学的帰納法で証明する。\(n=k\)のとき\(4^k-1=3m\)(\(m\)は整数)と仮定すると \(4^{k+1}-1=4(4^k-1)+\boxed{\text{ア}}=4\times3m+\boxed{\text{ア}}=3(4m+\boxed{\text{イ}})\) ア、イに入る数を求めよ。

ア\(=\)  イ\(=\)
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\(4^{k+1}-1=4\times4^k-1=4(4^k-1)+4-1=4(4^k-1)+3\)なので、ア\(=3\)。 \(4(4^k-1)+3=4\times3m+3=3(4m+1)\)なので、イ\(=1\)。 \(3(4m+1)\)は3の倍数なので、\(n=k+1\)のときも成り立つ。\(n=1\)のとき成り立つこと(6番で確認済み)とあわせて、すべての自然数\(n\)について成り立つことが証明できた。 ア\(=3\)、イ\(=1\)
27
融合:データの分析(数I)×統計的な推測(数B)|同じ計算を確率変数の言葉で行う

7番の5つの得点\(4,6,7,8,10\)が、それぞれ確率\(\dfrac15\)ずつで出る確率変数\(X\)の値だとみなす。数Bの定義\(E(X)=\sum x_ip_i,\ V(X)=\sum(x_i-E(X))^2p_i\)を使って期待値\(E(X)\)と分散\(V(X)\)を求め、7番の結果と比較せよ。

\(E(X)=\)  \(V(X)=\)
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\(E(X)=(4+6+7+8+10)\times\dfrac15=35\times\dfrac15=7\) 偏差の2乗の和は7番と同じく\(20\)なので\(V(X)=20\times\dfrac15=4\) 数Iの平均・分散の定義と、数Bの期待値・分散の定義は、実は同じ計算を別の言葉で呼んでいるだけである。 \(E(X)=7,\ V(X)=4\)(7番と完全に一致)
28
融合:図形と計量(数I)×図形と方程式(数II)|座標を設定して同じ答えを確認する

8番の三角形で、\(\mathrm A\)を原点、\(\mathrm B\)を\((5,0)\)に置く。\(\angle\mathrm{BAC}=60°,\ \mathrm{AC}=7\)より点\(\mathrm C\)の座標を求め、2点間の距離の公式で\(\mathrm{BC}\)を計算し、8番の答えと一致することを確認せよ。

\(\mathrm C\)の\(x\)座標\(=\)  \(\mathrm C\)の\(y\)座標\(=\)  \(\mathrm{BC}=\)
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\(\mathrm C=(7\cos60°,\ 7\sin60°)=\left(7\times\dfrac12,\ 7\times\dfrac{\sqrt3}{2}\right)=\left(\dfrac72,\ \dfrac{7\sqrt3}{2}\right)\) 2点間の距離の公式より \(\mathrm{BC}^2=\left(5-\dfrac72\right)^2+\left(0-\dfrac{7\sqrt3}{2}\right)^2=\left(\dfrac32\right)^2+\left(\dfrac{7\sqrt3}{2}\right)^2=\dfrac94+\dfrac{147}{4}=\dfrac{156}{4}=39\) \(\mathrm{BC}=\sqrt{39}\) 8番で余弦定理を使って求めた値と完全に一致する。 \(\mathrm C\left(\dfrac72,\ \dfrac{7\sqrt3}{2}\right)\)、\(\mathrm{BC}=\sqrt{39}\)
29
融合:2次関数(数I)×複素数と方程式(数II)|複素数の範囲で方程式を解く

9番の方程式\(x^2-4x+7=0\)を、数IIの解の公式を使って複素数の範囲で解け。

解1\(=\)  解2\(=\)
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解の公式\(x=\dfrac{-b\pm\sqrt{D}}{2a}\)に\(a=1,\ b=-4,\ D=-12\)(9番で計算済み)を代入する。 \(x=\dfrac{4\pm\sqrt{-12}}{2}=\dfrac{4\pm2\sqrt3\,i}{2}=2\pm\sqrt3\,i\) 数Iでは「実数解なし」で終わっていたが、数IIでは複素数の範囲まで考えると、この2次方程式にもきちんと2つの解が存在する。 \(x=2+\sqrt3\,i,\ 2-\sqrt3\,i\)
30
融合:2次関数(数I)×式と証明(数II)|相加相乗平均が使える条件を確かめる

\(x\gt0\)のとき、\(h(x)=x^2-6x+9\)(数Iの2次関数)の最小値を平方完成で求めよ。さらに、\(x^2\)と\(9\)の積\(x^2\times9\)が\(x=1\)のときと\(x=2\)のときでどう変わるかを調べ、この2項に相加相乗平均が使えるかを確認せよ。

平方完成での最小値\(=\)  \(x=1\)のとき\(x^2\times9=\)  \(x=2\)のとき\(x^2\times9=\)
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\(h(x)=x^2-6x+9=(x-3)^2\)なので最小値は\(0\)(\(x=3\))。 一方、\(x^2\)と\(9\)の積は\(x=1\)のとき\(1\times9=9\)、\(x=2\)のとき\(4\times9=36\)と、\(x\)によって値が変わってしまう。相加相乗平均で最小値が求まるのは「2つの正の項の積がいつも一定(定数)」のときだけなので、\(x^2\)と\(9\)には使えない。10番の\(x\)と\(\dfrac4x\)は積がつねに\(4\)で一定だったからこそ、相加相乗平均が使えた。 最小値\(0\)。積は\(9\)と\(36\)で一定でないため相加相乗平均は使えない。
31
融合:図形の性質(数A)×図形と方程式(数II)|別の割線で方べきの一定性を確かめる

11番の点\(\mathrm P(7,0)\)を通る直線\(y=x-7\)と円\(x^2+y^2=25\)の交点の\(x\)座標を求めよ。さらに、それぞれの交点までの距離の積\(\mathrm{PA'}\times\mathrm{PB'}\)を計算し、11番の値と一致することを確認せよ。

\(x\)座標(小さい順にコンマ区切り)\(=\)  \(\mathrm{PA'}\times\mathrm{PB'}=\)
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\(y=x-7\)を円の式に代入すると \(x^2+(x-7)^2=25\) \(2x^2-14x+49=25\) \(x^2-7x+12=0\) \((x-3)(x-4)=0\)より\(x=3,4\)。交点は\((3,-4),\ (4,-3)\)。 \(\mathrm{PA'}=\sqrt{(7-3)^2+(0-(-4))^2}=\sqrt{16+16}=4\sqrt2\) \(\mathrm{PB'}=\sqrt{(7-4)^2+(0-(-3))^2}=\sqrt{9+9}=3\sqrt2\) \(\mathrm{PA'}\times\mathrm{PB'}=4\sqrt2\times3\sqrt2=24\) どの直線を選んでも積は\(24\)で変わらない――これが方べきの定理の中身である。 \(x=3,4\)、積は\(24\)(11番と一致)
32
融合:場合の数(数A)×式と証明(数II)|二項定理の一般項で係数を求める

\((2x-1)^5\)の展開における\(x^3\)の係数を、二項定理の一般項\({}_5\mathrm C_r(2x)^{5-r}(-1)^r\)を使って求めよ。

\(x^3\)の係数\(=\)
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\(x^3\)の項は\(5-r=3\)、すなわち\(r=2\)のとき。 \({}_5\mathrm C_2(2x)^3(-1)^2=10\times8x^3\times1=80x^3\) \(80\)
33
式と証明(数II)|因数分解を割り算として実行する

\(x^3-8\)を\(x-2\)で割った商と余りを、実際に割り算を実行して求めよ。

商の\(x\)の係数\(=\)  余り\(=\)
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筆算で割ると、\(x^3-8=x^3+0x^2+0x-8\)を\(x-2\)で割り、商は\(x^2+2x+4\)、余りは\(0\)。 これは13番の因数分解\(x^3-8=(x-2)(x^2+2x+4)\)と対応している。余りが\(0\)ということは、\(x-2\)がぴったり割り切れる(\(x=2\)が方程式\(x^3-8=0\)の解である)ことを意味する。 商\(x^2+2x+4\)、余り\(0\)
34
融合:三角比(数I)×三角関数(数II)|数Iでは扱わない角度を単位円で求める

\(330°\)(数Iの範囲外の角)について、単位円を用いて\(\sin330°,\ \cos330°\)を求めよ。

\(\sin330°=\)  \(\cos330°=\)
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\(330°=360°-30°\)なので、単位円上で\(x\)軸の正の方向から時計回りに\(30°\)の位置にある。第4象限の角で、基準角は\(30°\)。 第4象限では\(\cos\)は正、\(\sin\)は負なので \(\sin330°=-\sin30°=-\dfrac12,\quad\cos330°=\cos30°=\dfrac{\sqrt3}{2}\) \(\sin330°=-\dfrac12,\ \cos330°=\dfrac{\sqrt3}{2}\)
35
融合:整数の性質(数A)×対数関数(数II)|常用対数で桁数を求める

\(\log_{10}2=0.3010\)として、\(2^{10}\)の桁数を数IIの常用対数を使って求め、15番で実際に計算した桁数と一致することを確認せよ。

\(\log_{10}2^{10}=\)  桁数\(=\)
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\(\log_{10}2^{10}=10\log_{10}2=10\times0.3010=3.010\) これは「\(2^{10}\)は\(10^3\)以上\(10^4\)未満」を意味するので、桁数は\(3+1=4\)桁。15番で実際に\(2^{10}=1024\)と計算した結果(4桁)と一致する。 \(\log_{10}2^{10}=3.010\)、桁数は\(4\)桁
36
データの分析(数I)|共分散の定義を確認する

16番の3組のデータ\((2,3),(4,7),(6,11)\)について、数Iの共分散の定義\(\displaystyle s_{xy}=\frac1n\sum(x_i-\bar x)(y_i-\bar y)\)を使って共分散\(s_{xy}\)を求めよ。

\(s_{xy}=\)
解説を見る
\(\bar x=\dfrac{2+4+6}{3}=4,\quad\bar y=\dfrac{3+7+11}{3}=7\) \(x\)の偏差:\(-2,0,2\)、\(y\)の偏差:\(-4,0,4\) 偏差の積:\(8,0,8\)、和は\(16\) \(s_{xy}=\dfrac{16}{3}\) \(s_{xy}=\dfrac{16}{3}\)
37
図形と方程式(数II)|必要十分条件を座標で確かめる

17番で求めた\(x=3\)上の点\((3,t)\)が、実際に\(\mathrm A(0,0)\)と\(\mathrm B(6,0)\)から等しい距離にあることを確かめる。\(t=4\)のとき、\(\mathrm{PA},\ \mathrm{PB}\)の値をそれぞれ求めよ。

\(\mathrm{PA}=\)  \(\mathrm{PB}=\)
解説を見る
\(\mathrm P(3,4)\)として \(\mathrm{PA}=\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{25}=5\) \(\mathrm{PB}=\sqrt{(3-6)^2+4^2}=\sqrt{9+16}=\sqrt{25}=5\) \(t\)にどんな値を入れても\(\mathrm{PA}=\mathrm{PB}\)が成り立つ(一般に\(\mathrm{PA}^2=9+t^2,\ \mathrm{PB}^2=9+t^2\)で\(t\)によらず一致する)。これで「\(x=3\)ならば等距離」という向き(十分条件)も確認できた。 \(\mathrm{PA}=\mathrm{PB}=5\)
38
融合:確率(数A)×数列(数B)|Σの公式で期待値の計算を検算する

18番の計算で使った\(1+2+3+4+5+6\)の値を、数Bの公式\(\displaystyle\sum_{k=1}^nk=\frac12n(n+1)\)に\(n=6\)を代入して求め、直接足し算した値と一致することを確認せよ。

\(\displaystyle\sum_{k=1}^6k=\)
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\(\displaystyle\sum_{k=1}^6k=\dfrac12\times6\times7=21\) \(1+2+3+4+5+6=21\)と直接計算した値と完全に一致する。 \(21\)
39
融合:図形の性質(数A)×三角関数(数II)|対角の関係をsinの値で確かめる

19番の四角形で\(\angle\mathrm A=30°,\ \angle\mathrm C=150°\)について、\(\sin\mathrm A\)と\(\sin\mathrm C\)の値をそれぞれ求め、両者が等しいことを確認せよ。

\(\sin\mathrm A=\)  \(\sin\mathrm C=\)
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\(\sin30°=\dfrac12\) \(\sin150°=\sin(180°-30°)=\sin30°=\dfrac12\) 一般に\(\sin(180°-\theta)=\sin\theta\)が成り立つので、円に内接する四角形の対角どうしは、大きさは違っても\(\sin\)の値がつねに等しくなる。これが正弦定理を四角形の外接円に応用できる理由である。 \(\sin\mathrm A=\sin\mathrm C=\dfrac12\)
40
融合:整数の性質(数A)×図形と方程式(数II)|不定方程式の直線を式の形で見る

20番の直線\(3x+2y=12\)の傾きと、\(x\)切片・\(y\)切片を求めよ。

傾き\(=\)  \(x\)切片\(=\)  \(y\)切片\(=\)
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\(2y=-3x+12\)より\(y=-\dfrac32x+6\)。傾きは\(-\dfrac32\)、\(y\)切片は\(6\)。 \(x\)切片は\(y=0\)を代入して\(3x=12,\ x=4\)。 20番の格子点\((2,3)\)は、この直線上にある無数の点のうち、\(x,y\)がともに正の整数になる特別な点だった。 傾き\(-\dfrac32\)、\(x\)切片\(4\)、\(y\)切片\(6\)
41
融合:集合と命題(数I)×式と証明(数II)|対偶を3変数に拡張する

命題「実数\(x,y,z\)について、\(x+y+z\gt3\)ならば、\(x,y,z\)の少なくとも1つは\(1\)より大きい」の対偶は「\(x\le1\)かつ\(y\le1\)かつ\(z\le1\)ならば\(x+y+z\le\boxed{?}\)である」となる。空欄に入る数を求めよ。

空欄\(=\)
解説を見る
「少なくとも1つは\(1\)より大きい」の否定は「すべて\(1\)以下」、「\(x+y+z\gt3\)」の否定は「\(x+y+z\le3\)」。 対偶は「\(x\le1\)かつ\(y\le1\)かつ\(z\le1\)ならば\(x+y+z\le3\)」。25番と同じ「差をとって0以下を示す」型で、\((x-1)+(y-1)+(z-1)\le0\)より\(x+y+z\le3\)が示せる。2変数(5番・25番)が3変数に増えても、証明の骨組みは変わらない。 \(3\)
42
式と証明(数II)|相加相乗平均の等号成立を平方の非負性から確かめる

\(x\gt0\)のとき、\(k(x)=2x+\dfrac8x\)の最小値を(a)相加平均・相乗平均の関係、(b)平方の非負性を使った変形、それぞれで求めよ。

最小値\(=\)  そのときの\(x=\)
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(a) \(2x\gt0,\ \dfrac8x\gt0\)で積は\(2x\times\dfrac8x=16\)(一定)なので \(2x+\dfrac8x\ge2\sqrt{2x\times\dfrac8x}=2\sqrt{16}=8\) 等号は\(2x=\dfrac8x\)、すなわち\(x^2=4,\ x\gt0\)より\(x=2\)。 (b) どんな実数も2乗すれば0以上になることを使う。\(\left(\sqrt{2x}-\sqrt{\dfrac8x}\right)^2\ge0\)を展開すると \(2x-2\sqrt{2x\times\dfrac8x}+\dfrac8x\ge0\) \(2x+\dfrac8x\ge2\sqrt{16}=8\) 等号は\(\sqrt{2x}=\sqrt{\dfrac8x}\)のとき、すなわち(a)と同じく\(x=2\)のとき成り立つ。2乗が0以上になるという事実だけから、同じ不等式を導くことができる。 最小値\(8\)(\(x=2\)のとき)
43
融合:数と式(数I)×式と証明(数II)|剰余の定理で割り算せずに余りを求める

\(x^3-8\)を\(x-3\)で割った余りを、実際に割り算をせず、数IIの剰余の定理を使って求めよ。

余り\(=\)
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剰余の定理より、\(P(x)\)を\(x-3\)で割った余りは\(P(3)\)そのものである。\(P(x)=x^3-8\)として \(P(3)=27-8=19\) 数Iまでは実際に割り算をするしかなかったが、数IIの剰余の定理を使えば代入するだけで余りが求まる。 \(19\)
44
融合:確率(数A)×数列(数B)|Σの公式で2乗の期待値を求める

1個のさいころを1回投げるとき出る目の2乗の期待値\(E(X^2)\)を、数Bの公式\(\displaystyle\sum_{k=1}^nk^2=\frac16n(n+1)(2n+1)\)(\(n=6\))を使って求めよ。

\(\displaystyle\sum_{k=1}^6k^2=\)  \(E(X^2)=\)
解説を見る
\(\displaystyle\sum_{k=1}^6k^2=\dfrac16\times6\times7\times13=91\) \(E(X^2)=\dfrac16\displaystyle\sum_{k=1}^6k^2=\dfrac{91}{6}\) \(\displaystyle\sum k^2=91\)、\(E(X^2)=\dfrac{91}{6}\)
45
融合:整数の性質(数A)×図形と方程式(数II)|点と直線の距離で最も近い格子点を探す

直線\(3x+2y=12\)上にあり\(x,y\)が整数である点のうち、原点にいちばん近いものを調べたい。まず数IIの点と直線の距離の公式で、原点からこの直線までの距離を求めよ。さらに、直線上の整数点\((0,6),(2,3),(4,0)\)のうち、原点からの距離がいちばん小さいものを選べ。

直線までの距離\(=\)  最も近い点の\(x\)座標\(=\)
解説を見る
直線を\(3x+2y-12=0\)の形にして、点と直線の距離の公式\(\dfrac{|ax_1+by_1+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}\)に原点\((0,0)\)を代入する。 距離\(=\dfrac{|3\times0+2\times0-12|}{\sqrt{3^2+2^2}}=\dfrac{12}{\sqrt{13}}=\dfrac{12\sqrt{13}}{13}\)(\(\approx3.33\)) 候補の点までの距離は、\((0,6)\)が\(6\)、\((2,3)\)が\(\sqrt{4+9}=\sqrt{13}\)(\(\approx3.61\))、\((4,0)\)が\(4\)。実数の範囲での最短距離\(\approx3.33\)にいちばん近いのは\((2,3)\)であり、これは20番で求めた格子点そのものである。 距離\(\dfrac{12\sqrt{13}}{13}\)、最も近い整数点は\((2,3)\)
発展(46〜60)
46
融合:2次関数(数I)×微分法(数II)|頂点が動く関数を場合分けで解く

\(h(x)=x^2-2tx+t^2+3\)(\(t\)は定数)は\((x-t)^2+3\)と平方完成でき、区間\(0\le x\le2\)における最小値は\(t\)の値によって場合分けが必要になる。\(t=-1,\ 1,\ 3\)のときの最小値を、それぞれ求めよ。

\(t=-1\)のとき  \(t=1\)のとき  \(t=3\)のとき
解説を見る
頂点は\((t,3)\)。微分すると\(h'(x)=2x-2t\)で、\(h'(x)=0\)となるのも\(x=t\)――平方完成の頂点と微分の極小点は常に一致する。 場合分け:頂点の\(x\)座標\(t\)が区間\([0,2]\)の左・内・右のどこにあるかで最小値の場所が変わる。 \(t\lt0\)のとき、区間内で\(h(x)\)は単調増加なので最小値は\(x=0\):\(h(0)=t^2+3\)。\(t=-1\)なら\(h(0)=1+3=4\)。 \(0\le t\le2\)のとき、頂点が区間内にあるので最小値は\(x=t\):そのまま\(3\)。\(t=1\)なら最小値\(3\)。 \(t\gt2\)のとき、区間内で単調減少なので最小値は\(x=2\):\(h(2)=4-4t+t^2+3=(t-2)^2+3\)。\(t=3\)なら\((3-2)^2+3=4\)。 \(t=-1\)のとき\(4\)、\(t=1\)のとき\(3\)、\(t=3\)のとき\(4\)
47
融合:三角比(数I)×三角関数(数II)|周と面積、どちらも最大になる角が一致するかを調べる

22番の長方形の面積\(S(\theta)=6\sin\theta\times6\cos\theta\)を、2倍角の公式を使って\(S(\theta)=18\sin2\theta\)の形に整理し、面積が最大になる\(\theta\)と最大値を求めよ。さらに、それが22番で周の長さが最大になった\(\theta\)と一致するかを確認せよ。

\(\theta=\)  面積の最大値\(=\)
解説を見る
\(S(\theta)=36\sin\theta\cos\theta\)。2倍角の公式\(\sin2\theta=2\sin\theta\cos\theta\)より\(\sin\theta\cos\theta=\dfrac12\sin2\theta\)なので \(S(\theta)=36\times\dfrac12\sin2\theta=18\sin2\theta\) \(0\lt\theta\lt\dfrac{\pi}{2}\)のとき\(0\lt2\theta\lt\pi\)で、\(\sin2\theta\)が最大の\(1\)になるのは\(2\theta=\dfrac{\pi}{2}\)、すなわち\(\theta=\dfrac{\pi}{4}\)。 面積の最大値は\(18\)。これは22番で周の長さが最大になった\(\theta=\dfrac{\pi}{4}\)と完全に一致する――縦と横の係数がどちらも\(6\)で等しいこの長方形は、\(\theta=\dfrac{\pi}{4}\)のとき正方形になり、周も面積も同時に最大になる。 \(\theta=\dfrac{\pi}{4}\)のとき面積の最大値\(18\)(周が最大になる角と一致)
48
融合:確率(数A)×数列(数B)|確率の和をΣで計算する

3番・23番の\(p_n=\dfrac12+\dfrac12\left(-\dfrac13\right)^n\)を使って、\(\displaystyle\sum_{k=1}^3p_k=p_1+p_2+p_3\)の値を求めよ。

\(\displaystyle\sum_{k=1}^3p_k=\)
解説を見る
\(p_1=\dfrac13,\ p_2=\dfrac59,\ p_3=\dfrac{13}{27}\)(3番・23番で求めた値)。通分すると\(\dfrac9{27},\dfrac{15}{27},\dfrac{13}{27}\)。 \(\displaystyle\sum_{k=1}^3p_k=\dfrac{9+15+13}{27}=\dfrac{37}{27}\) \(\dfrac{37}{27}\)
49
融合:確率(数A)×統計的な推測(数B)|分散の定義式を逆に使う

24番で求めた\(E(X)=\dfrac56,\ V(X)=\dfrac{25}{36}\)を使って、公式\(V(X)=E(X^2)-\{E(X)\}^2\)から\(E(X^2)\)の値を求めよ。

\(E(X^2)=\)
解説を見る
\(V(X)=E(X^2)-\{E(X)\}^2\)より \(E(X^2)=V(X)+\{E(X)\}^2=\dfrac{25}{36}+\left(\dfrac56\right)^2=\dfrac{25}{36}+\dfrac{25}{36}=\dfrac{50}{36}=\dfrac{25}{18}\) \(E(X^2)=\dfrac{25}{18}\)
50
融合:整数の性質(数A)×数学的帰納法(数B)|16の倍数であることを証明する

すべての自然数\(n\)について\(5^n-4n-1\)が\(16\)の倍数であることを、数学的帰納法で証明する。\(n=k\)のとき\(5^k-4k-1=16m\)と仮定すると \(5^{k+1}-4(k+1)-1=5(5^k-4k-1)+\boxed{\text{ア}}\,k\) の形に変形できる。アに入る数と、\(n=4\)のときの\(5^n-4n-1\)の値を求めよ。

ア\(=\)  \(n=4\)のとき\(=\)
解説を見る
\(5^{k+1}-4(k+1)-1=5\times5^k-4k-5=5(5^k-4k-1)+5(4k+1)-4k-5=5(5^k-4k-1)+20k+5-4k-5=5(5^k-4k-1)+16k\) よってア\(=16\)。仮定より\(5(5^k-4k-1)+16k=5\times16m+16k=16(5m+k)\)となり、\(16\)の倍数。\(n=1\)のとき\(5-4-1=0\)(\(16\times0\)で成り立つ)とあわせて、すべての自然数\(n\)で成り立つ。 \(n=4\)のとき実際に計算すると\(5^4-4\times4-1=625-16-1=608=16\times38\)。 ア\(=16\)、\(n=4\)のとき\(608\)
51
データの分析(数I)|標準偏差から外れ具合を判定する

7番・27番のデータの標準偏差\(s\)を求めよ。さらに、5人のうち得点が平均から標準偏差1つ分以上離れている(\(|x_i-7|\ge s\)を満たす)人数を求めよ。

標準偏差\(=\)  人数\(=\)
解説を見る
分散\(V(X)=4\)(27番)なので標準偏差\(s=\sqrt4=2\)。 5人の得点\(4,6,7,8,10\)について、平均\(7\)からの偏差の絶対値は\(3,1,0,1,3\)。このうち\(2\)以上なのは得点\(4\)(偏差\(3\))と得点\(10\)(偏差\(3\))の\(2\)人。 標準偏差\(2\)、該当する人数は\(2\)人
52
融合:図形と計量(数I)×図形と方程式(数II)|面積を2通りの公式で求める

8番・28番の三角形\(\mathrm{ABC}\)の面積を、(a)数Iの公式\(S=\dfrac12\,\mathrm{AB}\cdot\mathrm{AC}\sin\mathrm A\)、(b)頂点の座標を使った数IIの公式\(S=\dfrac12|x_{\mathrm B}y_{\mathrm C}-x_{\mathrm C}y_{\mathrm B}|\)(\(\mathrm A\)が原点のとき)、それぞれで求めて一致することを確認せよ。

面積\(=\)
解説を見る
(a) \(S=\dfrac12\times5\times7\times\sin60°=\dfrac12\times35\times\dfrac{\sqrt3}{2}=\dfrac{35\sqrt3}{4}\) (b) \(\mathrm A(0,0),\ \mathrm B(5,0),\ \mathrm C\left(\dfrac72,\dfrac{7\sqrt3}{2}\right)\)(28番)なので \(S=\dfrac12\left|5\times\dfrac{7\sqrt3}{2}-\dfrac72\times0\right|=\dfrac12\times\dfrac{35\sqrt3}{2}=\dfrac{35\sqrt3}{4}\) どちらの方法でも\(\dfrac{35\sqrt3}{4}\)で一致する。角度の情報から直接計算する数Iの方法と、座標にしてから計算する数IIの方法は、それぞれ別の場面で使い分けると便利である。 面積\(\dfrac{35\sqrt3}{4}\)
53
融合:2次関数(数I)×複素数と方程式(数II)|解と係数の関係を確かめる

9番・29番の方程式\(x^2-4x+7=0\)の2つの解\(2+\sqrt3\,i,\ 2-\sqrt3\,i\)について、解の和と積を求め、数IIの解と係数の関係(\(x^2-4x+7=0\)の係数から直接分かる値)と一致することを確認せよ。

解の和\(=\)  解の積\(=\)
解説を見る
解と係数の関係より、\(x^2-4x+7=0\)の2解の和は\(-\dfrac{-4}{1}=4\)、積は\(\dfrac71=7\)であるはずである。 実際に計算すると 和:\((2+\sqrt3\,i)+(2-\sqrt3\,i)=4\) 積:\((2+\sqrt3\,i)(2-\sqrt3\,i)=4-(\sqrt3\,i)^2=4-(-3)=7\) 複素数の解であっても、解と係数の関係は実数解のときと同じ形で成り立つ。 和\(4\)、積\(7\)(係数から直接求めた値と一致)
54
融合:図形の性質(数A)×図形と方程式(数II)|方べきの値から接線の長さを求める

11番・31番で求めた方べきの値\(24\)を使って、点\(\mathrm P(7,0)\)から円\(x^2+y^2=25\)に引いた接線の長さ\(\mathrm{PT}\)を求めよ(接線の長さの公式\(\mathrm{PT}^2=\mathrm{PO}^2-r^2\)を、方べきの値と結びつけて使う)。

\(\mathrm{PT}=\)
解説を見る
方べきの定理は、割線でも接線でも同じ値になる。接線の場合は2つの交点が重なって接点1つになるので、\(\mathrm{PA}\times\mathrm{PB}\)の代わりに\(\mathrm{PT}\times\mathrm{PT}=\mathrm{PT}^2\)となる。 \(\mathrm{PT}^2=\mathrm{PO}^2-r^2=7^2-5^2=49-25=24\)(11番の値と完全に一致) \(\mathrm{PT}=\sqrt{24}=2\sqrt6\) \(\mathrm{PT}=2\sqrt6\)
55
融合:場合の数(数A)×式と証明(数II)|二項定理で部分集合の総数を確かめる

二項定理で\(a=b=1\)を代入すると\(\displaystyle\sum_{r=0}^n{}_n\mathrm C_r=2^n\)が成り立つ。これは数Aで学ぶ「\(n\)個の要素をもつ集合の部分集合の総数は\(2^n\)個」という事実と同じものである。\(n=6\)のとき、\(\displaystyle\sum_{r=0}^6{}_6\mathrm C_r\)の値を求めよ。

値\(=\)
解説を見る
\((1+1)^6=\displaystyle\sum_{r=0}^6{}_6\mathrm C_r\,1^{6-r}1^r=\sum_{r=0}^6{}_6\mathrm C_r\)なので、求める値は\(2^6=64\)。 これは、6個の要素をもつ集合について、「0個選ぶ場合」「1個選ぶ場合」……「6個すべて選ぶ場合」の総数をすべて足すと、部分集合の総数\(2^6=64\)個と一致する、という数Aの事実そのものである。 \(64\)
56
融合:三角比(数I)×三角関数(数II)|同じsinの値をもつ角をすべて求める

数Iでは\(\sin\theta=\dfrac12\)を満たす角は\(0°\)〜\(180°\)の範囲で\(30°,150°\)の2つしかなかった。数IIの一般角では、\(0\le\theta\lt2\pi\)の範囲でこの方程式を満たす\(\theta\)をすべて求めよ。

\(\theta=\)
解説を見る
単位円上で\(y\)座標が\(\dfrac12\)になる点は2つあり、それぞれ\(\theta=\dfrac{\pi}{6}\)(\(30°\))と\(\theta=\pi-\dfrac{\pi}{6}=\dfrac{5\pi}{6}\)(\(150°\))に対応する。 \(0\le\theta\lt2\pi\)の範囲ではこの2つだけ。数Iで習った\(30°,150°\)を、ラジアンで言い換えただけである(もし範囲を全実数に広げれば、\(\theta=\dfrac{\pi}{6}+2n\pi\)や\(\dfrac{5\pi}{6}+2n\pi\)(\(n\)は整数)と無数に増える)。 \(\theta=\dfrac{\pi}{6},\ \dfrac{5\pi}{6}\)
57
融合:整数の性質(数A)×対数関数(数II)|桁数と約数の個数を同時に調べる

\(\log_{10}2=0.3010\)として\(2^{20}\)の桁数を求めよ。さらに、数Aの整数の性質を使って\(2^{20}\)の正の約数の個数を求めよ。

桁数\(=\)  約数の個数\(=\)
解説を見る
\(\log_{10}2^{20}=20\times0.3010=6.02\)。これは\(10^6\)以上\(10^7\)未満を意味するので、桁数は\(6+1=7\)桁。 約数の個数は、素因数分解\(2^{20}\)(素因数は\(2\)だけ)から、指数\(0\)から\(20\)までの\(20+1=21\)通りの選び方があるので\(21\)個。 桁数\(7\)桁、約数の個数\(21\)個
58
データの分析(数I)|相関係数を分散と共分散から求める

16番・36番のデータについて、\(x\)の分散、\(y\)の分散をそれぞれ求め、相関係数の公式\(r=\dfrac{s_{xy}}{s_xs_y}\)を使って相関係数\(r\)を求めよ。

\(x\)の分散\(=\)  \(y\)の分散\(=\)  相関係数\(r=\)
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\(x\)の偏差\(-2,0,2\)の2乗和は\(4+0+4=8\)なので分散\(=\dfrac83\)。 \(y\)の偏差\(-4,0,4\)の2乗和は\(16+0+16=32\)なので分散\(=\dfrac{32}{3}\)。 \(s_x=\sqrt{\dfrac83},\ s_y=\sqrt{\dfrac{32}{3}}\)なので\(s_xs_y=\sqrt{\dfrac83\times\dfrac{32}{3}}=\sqrt{\dfrac{256}{9}}=\dfrac{16}{3}\)。 \(r=\dfrac{s_{xy}}{s_xs_y}=\dfrac{16/3}{16/3}=1\) ここで相関係数が最大の\(1\)になったのは偶然ではない。16番で確かめたとおり、この3点は直線\(y=2x-1\)の上に完全に乗っている。相関係数は「点が右上がりの直線にどれだけ近いか」を\(-1\)から\(1\)までの数で表したものなので、ずれが1つも無い場合はちょうど\(1\)になる。 つまり、図形と方程式で「3点が一直線上にある」と言うことと、データの分析で「相関係数が\(1\)である」と言うことは、同じ状態を別の言葉で述べている。逆に点が直線から散らばるほど\(r\)は\(1\)から離れていく。 \(x\)の分散\(\dfrac83\)、\(y\)の分散\(\dfrac{32}{3}\)、相関係数\(r=1\)
59
図形と方程式(数II)|条件を組み合わせて交点を求める

「点\((x,y)\)が円\(x^2+y^2=25\)上にあり、かつ直線\(x=3\)上にある」を満たす点をすべて求めよ。

\(y\)座標(2つ、コンマ区切り)\(=\)
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\(x=3\)を円の式に代入すると \(9+y^2=25\) \(y^2=16\) \(y=\pm4\) よって条件を満たす点は\((3,4)\)と\((3,-4)\)。17番・37番で調べた「\(x=3\)上のすべての点」のうち、さらに「円上にもある」という条件を追加すると、無数にあった候補が2点にまで絞られる。 点\((3,0)\)は円の内部の点(\(3^2+0^2=9\lt25\))である。この点を通る2本の弦、\(x=3\)(交点\((3,4)\)と\((3,-4)\))と\(x\)軸(交点\((-5,0)\)と\((5,0)\))について、点から各交点までの距離の積を比べると、\(x=3\)側は\(4\times4=16\)、\(x\)軸側は\(|3-(-5)|\times|5-3|=8\times2=16\)で一致する。11番では円の外部の点で成り立っていた方べきの定理が、内部の点でも同じ値で成り立つことが確認できる。 \((3,4),\ (3,-4)\)
60
融合:図形の性質(数A)×図形と計量(数I)×図形と方程式(数II)|正弦定理で求めた半径を座標平面上の円と結びつける

19番・39番の四角形\(\mathrm{ABCD}\)の一部である\(\triangle\mathrm{ABD}\)において、\(\mathrm{BD}=5,\ \angle\mathrm A=30°\)のとき、正弦定理を使って外接円の半径\(R\)を求めよ(この外接円は四角形\(\mathrm{ABCD}\)の外接円と同じ円である)。

\(R=\)
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正弦定理\(\dfrac{\mathrm{BD}}{\sin\mathrm A}=2R\)より \(2R=\dfrac{5}{\sin30°}=\dfrac{5}{1/2}=10\) \(R=5\) \(\triangle\mathrm{ABD}\)は、四角形\(\mathrm{ABCD}\)が内接しているのと同じ円に内接しているので、この\(R\)は四角形全体の外接円の半径でもある。円に内接する図形なら、どの三角形を選んで正弦定理を使っても、同じ外接円の半径にたどり着く。 \(R=5\)は、11番・31番・59番で使ってきた円\(x^2+y^2=25\)(半径\(\sqrt{25}=5\)、中心は原点)の半径と同じ値である。正弦定理という数I・Aの道具で求めた外接円の半径が、数IIの図形と方程式で扱う円の方程式の半径とちょうど一致するように、この四角形はもともと設計されている。 \(R=5\)
共通テスト形式チャレンジ

実際の共通テストにならい、大問1・2は数学I・Aの範囲、大問3〜5は数学II・Bの範囲から出題する。全5大問・目標70分・配点100点。

大問1 目標時間 14分/配点 20点

文化祭で模擬店を出す太郎さんと花子さんが、たこ焼き店の運営について相談している。1皿300円で売ると1日80皿売れる見込みだが、値上げすると売れる数が減ることが分かっている。値上げ額を10円増やすごとに売れる数が2皿減ると予想されるとき、値上げ額を\(x\)円とすると、1日の売上\(y\)円は\(y=-0.2x^2+20x+24000\)と表せる。

太郎「値上げしすぎても、しなさすぎても売上は下がりそうだね。」
花子「じゃあ、売上がいちばん高くなる値上げ額を計算してみよう。」
(1)

売上\(y\)を平方完成すると\(y=-0.2(x-\boxed{\text{アイ}})^2+\boxed{\text{ウエオカキ}}\)となる。売上が最大になる値上げ額は\(\boxed{\text{アイ}}\)円、そのときの売上は\(\boxed{\text{ウエオカキ}}\)円である。

アイ ウエオカキ
解説を見る
\(y=-0.2x^2+20x+24000=-0.2(x^2-100x)+24000=-0.2\{(x-50)^2-2500\}+24000=-0.2(x-50)^2+500+24000=-0.2(x-50)^2+24500\) 頂点は\((50,24500)\)なので、値上げ額\(50\)円のとき売上は最大の\(24500\)円になる。 値上げ額\(50\)円、最大の売上\(24500\)円
(2)

花子「(1)で求めた、値上げ額\(50\)円のとき売上が最大になった日を『特別営業日』にしよう。値上げ額\(10\)円につき1人ずつ声をかけたら、ちょうど\(50\div10=5\)人にお願いできそうだね。」太郎「じゃあ、その5人の部員から3人を選んで担当してもらおう。選んだ3人には受付・呼び込み・会計の3つの異なる役割を割り振るよ。」5人から3人を選ぶ選び方は\(\boxed{\text{クケ}}\)通り、選んだ3人に3つの異なる役割を割り振る方法は全部で\(\boxed{\text{コサ}}\)通りである。

クケ コサ
解説を見る
5人から3人を選ぶ選び方は\({}_5\mathrm C_3=\dfrac{5\times4\times3}{3\times2\times1}=10\)通り。 選んだ3人を3つの異なる役割に割り振る方法は\(3!=6\)通りずつあるので、全体では\(10\times6=60\)通り(\({}_5\mathrm P_3=5\times4\times3=60\)通りと計算しても同じ)。 選び方\(10\)通り、役割の割り振り方\(60\)通り
(3)

太郎「(1)で求めた値上げ額\(50\)円(1皿\(350\)円)のとき、1日に売れる皿数は\(80-0.2\times50=70\)皿と計算できるね。その値段で売り始めてから、実際の来場者数を1週間分記録してみたよ。」値上げ後7日間の来場者数(人)は\(45,52,48,60,55,50,58\)であった。このデータの中央値は\(\boxed{\text{シス}}\)人、四分位範囲(第3四分位数と第1四分位数の差)は\(\boxed{\text{セソ}}\)人である。

シス セソ
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小さい順に並べると\(45,48,50,52,55,58,60\)(7個)。中央値は真ん中の4番目、\(52\)人。 下位3個\(45,48,50\)の中央値である第1四分位数は\(48\)人。上位3個\(55,58,60\)の中央値である第3四分位数は\(58\)人。 四分位範囲は\(58-48=10\)人。 中央値\(52\)人、四分位範囲\(10\)人

大問2 目標時間 14分/配点 20点

太郎さんと花子さんは、学校の中庭にある三角形の花壇\(\mathrm{ABC}\)の周りにレンガを敷き詰める計画を立てている。花壇は\(\mathrm{AB}=5\,\mathrm m,\ \mathrm{AC}=8\,\mathrm m,\ \angle\mathrm A=60°\)である。

花子「まず、残りの辺\(\mathrm{BC}\)の長さを求めよう。」
(1)

余弦定理より\(\mathrm{BC}=\boxed{\text{ア}}\,\mathrm m\)である。さらに正弦定理より、この三角形の外接円の半径は\(R=\dfrac{\boxed{\text{イ}}\sqrt{\boxed{\text{ウ}}}}{\boxed{\text{エ}}}\,\mathrm m\)である。

ア イ ウ エ
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余弦定理より \(\mathrm{BC}^2=5^2+8^2-2\times5\times8\times\cos60°=25+64-40=49\) \(\mathrm{BC}=7\) 正弦定理より\(\dfrac{\mathrm{BC}}{\sin\mathrm A}=2R\)なので \(2R=\dfrac{7}{\sin60°}=\dfrac{7}{\sqrt3/2}=\dfrac{14}{\sqrt3}=\dfrac{14\sqrt3}{3}\) \(R=\dfrac{7\sqrt3}{3}\) \(\mathrm{BC}=7\,\mathrm m\)、\(R=\dfrac{7\sqrt3}{3}\,\mathrm m\)
(2)

花子「レンガは正方形で、3辺すべてにちょうど敷き詰めたいな。」太郎「じゃあ、3辺の長さの最大公約数を考えればいいね。」\(\mathrm{AB}=5\,\mathrm m=500\,\mathrm{cm},\ \mathrm{AC}=8\,\mathrm m=800\,\mathrm{cm},\ \mathrm{BC}=7\,\mathrm m=700\,\mathrm{cm}\)とするとき、3辺すべてを割り切る最大の正方形の1辺の長さは\(\boxed{\text{オカキ}}\,\mathrm{cm}\)である。

オカキ
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\(500=2^2\times5^3,\ 800=2^5\times5^2,\ 700=2^2\times5^2\times7\)。共通する素因数は\(2^2\times5^2=100\)。 最大公約数は\(100\)。 \(100\,\mathrm{cm}\)
(3)

1辺\(100\,\mathrm{cm}\)のレンガを敷き詰めるとき、\(\mathrm{AB},\mathrm{AC},\mathrm{BC}\)の各辺に並ぶレンガの個数はそれぞれ\(\boxed{\text{ク}}\)個、\(\boxed{\text{ケ}}\)個、\(\boxed{\text{コ}}\)個で、周に並ぶレンガの総数は\(\boxed{\text{サシ}}\)個である。

ク ケ コ サシ
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\(\mathrm{AB}:500\div100=5\)個、\(\mathrm{AC}:800\div100=8\)個、\(\mathrm{BC}:700\div100=7\)個。 合計\(5+8+7=20\)個。 \(5,8,7\)個、合計\(20\)個

大問3 目標時間 14分/配点 20点

太郎さんと花子さんは、ある港での時刻\(t\)時(\(0\le t\lt24\))における海面の高さ\(h(t)\)(\(\mathrm m\))が、\(h(t)=3\sin\dfrac{\pi}{6}t+5\)で近似できることを知り、船がいつ入港できるかを調べている(潮の満ち引きはおよそ12時間周期である)。

花子「\(t=0\)のとき\(h(0)=5\)。まずはほかの時刻での高さも計算してみよう。」
(1)

\(t=3\)のときの海面の高さは\(h(3)=\boxed{\text{ア}}\,\mathrm m\)である。

ア
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\(h(3)=3\sin\dfrac{\pi}{6}\times3+5=3\sin\dfrac{\pi}{2}+5=3\times1+5=8\) \(h(3)=8\,\mathrm m\)
(2)

太郎「この港に船が入るには、海面の高さが\(6.5\,\mathrm m\)以上必要なんだ。」花子「(1)で求めた\(h(3)=8\,\mathrm m\)は\(6.5\,\mathrm m\)以上だから、\(t=3\)の前後は入港できそうだね。ちょうど何時から何時まで入港できるか、範囲を求めてみよう。」\(0\le t\lt12\)の範囲で\(h(t)\ge6.5\)となる\(t\)の範囲を求めると、\(\boxed{\text{イ}}\le t\le\boxed{\text{ウ}}\)である。

イ ウ
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\(3\sin\dfrac{\pi}{6}t+5\ge6.5\)より\(\sin\dfrac{\pi}{6}t\ge\dfrac12\)。\(\theta=\dfrac{\pi}{6}t\)とおくと、\(0\le t\lt12\)のとき\(0\le\theta\lt2\pi\)。\(\sin\theta\ge\dfrac12\)となるのは\(\dfrac{\pi}{6}\le\theta\le\dfrac{5\pi}{6}\)(56番と同じ角)のときなので \(\dfrac{\pi}{6}\le\dfrac{\pi}{6}t\le\dfrac{5\pi}{6}\) \(1\le t\le5\) \(1\le t\le5\)
(3)

花子「1日(24時間)のうち、海面が\(6.5\,\mathrm m\)以上である時間の合計は何時間かな。」周期は12時間なので、24時間の間に同じパターンが2回くり返される。海面が\(6.5\,\mathrm m\)以上である時間の合計は\(\boxed{\text{エ}}\)時間である。

エ
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(2)より、1つの周期(12時間)の中で条件を満たすのは\(1\le t\le5\)の\(4\)時間。周期は\(12\)時間で、\(24\)時間にはこの周期がちょうど\(2\)回含まれるので \(4\times2=8\)(時間) \(8\)時間

大問4 目標時間 14分/配点 20点

ある工場での1日の生産量を\(x\)個としたときの利益\(P(x)\)(万円)は、\(P(x)=-x^3+30x^2-900\)(\(0\le x\le30\))で表されるという。太郎さんと花子さんは、利益を最大にする生産量を調べている。

太郎「微分して増減表をつくれば、最大値が求まりそうだね。」
(1)

\(P'(x)\)を求めると\(P'(x)=-3x(x-\boxed{\text{アイ}})\)となる。増減表をつくると、利益が最大になるのは\(x=\boxed{\text{ウエ}}\)のときで、そのときの利益は\(\boxed{\text{オカキク}}\)万円である。

アイ ウエ オカキク
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\(P'(x)=-3x^2+60x=-3x(x-20)\)。 \(0\lt x\lt20\)で\(P'(x)\gt0\)(増加)、\(20\lt x\le30\)で\(P'(x)\lt0\)(減少)なので、\(x=20\)で最大。 \(P(20)=-8000+30\times400-900=-8000+12000-900=3100\) \(x=20\)個のとき、利益は最大の\(3100\)万円
(2)

花子「来月は、1日目の生産量を5個にして、そこから毎日1個ずつ増やしていく予定なんだ。」これは初項\(5\)、公差\(1\)の等差数列である。30日間の生産量の合計は\(\boxed{\text{ケコサ}}\)個である。

ケコサ
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初項\(a_1=5\)、公差\(d=1\)、項数\(n=30\)の等差数列の和は \(S_{30}=\dfrac{30}{2}\{2\times5+(30-1)\times1\}=15\times(10+29)=15\times39=585\) \(585\)個
(3)

太郎「日々の生産量が、(1)で求めた最大利益を出す生産量\(20\)個を初めて超えるのは何日目かな。」\(n\)日目の生産量は\(a_n=5+(n-1)\)個である。これが\(20\)個を初めて超える日は\(\boxed{\text{シス}}\)日目である。

シス
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\(a_n=n+4\)。\(a_n\gt20\)より\(n+4\gt20,\ n\gt16\)なので、初めて超えるのは\(n=17\)(\(a_{17}=21\))。\(a_{16}=20\)はちょうど\(20\)個で「超えて」はいないことに注意する。 \(17\)日目

大問5 目標時間 14分/配点 20点

あるお菓子工場で作るクッキー1枚の重さは、平均\(50\,\mathrm g\)、標準偏差\(2\,\mathrm g\)の正規分布に従うという。太郎さんと花子さんは、この分布を使って重さのばらつきを調べている。標準正規分布表の値として、\(P(0\le Z\le1)=0.3413,\ P(0\le Z\le2)=0.4772\)を用いてよい。

花子「重さを標準化して、標準正規分布の表を使おう。」
(1)

クッキー1枚の重さが\(52\,\mathrm g\)以上\(54\,\mathrm g\)未満である確率を求めると\(0.\boxed{\text{アイウエ}}\)である。

アイウエ
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\(52\,\mathrm g\)を標準化すると\(Z=\dfrac{52-50}{2}=1\)、\(54\,\mathrm g\)を標準化すると\(Z=\dfrac{54-50}{2}=2\)。 \(P(1\le Z\lt2)=P(0\le Z\le2)-P(0\le Z\le1)=0.4772-0.3413=0.1359\) \(0.1359\)
(2)

太郎「(1)で調べたのは1枚ごとの重さのばらつきだったね。今度は1箱に36枚入りのクッキーを詰めるとき、1箱の重さの合計の期待値と分散を求めよう。」1枚の重さの期待値\(50\,\mathrm g\)、分散\(4\)(標準偏差2の2乗)を使うと、独立な36枚の重さの合計の期待値は\(\boxed{\text{オカキク}}\,\mathrm g\)、分散は\(\boxed{\text{ケコサ}}\)である。

オカキク ケコサ
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独立な確率変数の和の期待値・分散の性質より 期待値:\(36\times50=1800\)(g) 分散:\(36\times4=144\) 期待値\(1800\,\mathrm g\)、分散\(144\)
(3)

花子「合計の重さについて、標準偏差を求めて、平均から標準偏差1つ分の範囲を求めてみよう。」標準偏差は\(\boxed{\text{シス}}\,\mathrm g\)で、平均から標準偏差1つ分の範囲は\(\boxed{\text{セソタチ}}\,\mathrm g\)以上\(\boxed{\text{ツテトナ}}\,\mathrm g\)以下である。

シス セソタチ ツテトナ
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標準偏差は\(\sqrt{144}=12\)(g)。 範囲は\(1800-12=1788\)(g)以上\(1800+12=1812\)(g)以下。 標準偏差\(12\,\mathrm g\)、範囲は\(1788\,\mathrm g\)以上\(1812\,\mathrm g\)以下
記述チャレンジ

答えだけでなく「なぜそうなるか」を文章と式で書く練習。2科目にまたがる論証に挑戦しよう。

記1

2次方程式\(x^2-2ax+a+2=0\)(\(a\)は実数の定数)が異なる2つの実数解をもつような\(a\)の値の範囲を、数Iの判別式を用いて求めよ。さらに、その範囲に含まれない\(a=0\)の場合について、方程式を数IIの複素数の範囲で解き、実数解をもたない理由を判別式の符号と関連づけて説明せよ。

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判別式の\(\dfrac D4\)を計算すると \(\dfrac D4=a^2-1\times(a+2)=a^2-a-2=(a-2)(a+1)\) 異なる2つの実数解をもつのは\(D\gt0\)のときなので\((a-2)(a+1)\gt0\)、これを解くと\(a\lt-1\)または\(a\gt2\)。 この範囲に含まれない値として\(a=0\)を考える。このとき\(\dfrac D4=(0-2)(0+1)=-2\lt0\)であり、実数解をもたない範囲に入っていることが判別式から確認できる。 実際に\(a=0\)を方程式に代入すると\(x^2+2=0\)、すなわち\(x^2=-2\)となる。実数の範囲では2乗して負になる数は存在しないので実数解はないが、数IIで学ぶ複素数の範囲まで考えれば、\(i^2=-1\)を使って\(x=\pm\sqrt2\,i\)という2つの解が存在する。 つまり判別式が負であることは「実数の範囲に解がない」ことを意味しているだけであり、数Iではそこで話が終わっていた。数IIで複素数という新しい数の世界を手に入れることで、判別式の符号にかかわらず、2次方程式には常に2つの解(実数または虚数)が存在すると言えるようになる。 \(a\lt-1\)または\(a\gt2\)のとき異なる2つの実数解をもつ。\(a=0\)のときは\(D\lt0\)で実数解はないが、複素数の範囲では\(x=\pm\sqrt2\,i\)という解が存在する。
記2

1個のさいころを4回投げて、5以上の目(5または6)が出る回数を確率変数\(X\)とする。(a)数Aの反復試行の確率の公式を使って、\(X=2\)である確率を求めよ。(b)数Bの二項分布の考え方を使って、\(X\)の期待値\(E(X)\)と分散\(V(X)\)を、公式\(E(X)=np,\ V(X)=np(1-p)\)で求めよ。(c) (a)と(b)の結果をふまえ、「反復試行の確率の公式」と「二項分布」がどのような関係にあるかを説明せよ。

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5以上の目(5か6)が出る確率は\(p=\dfrac26=\dfrac13\)。 (a) 4回中ちょうど2回だけ5以上の目が出る確率は、数Aの反復試行の確率の公式より \(P(X=2)={}_4\mathrm C_2\left(\dfrac13\right)^2\left(\dfrac23\right)^2=6\times\dfrac19\times\dfrac49=\dfrac{24}{81}=\dfrac{8}{27}\) (b) \(X\)は二項分布\(B\left(4,\dfrac13\right)\)に従うので \(E(X)=4\times\dfrac13=\dfrac43\) \(V(X)=4\times\dfrac13\times\dfrac23=\dfrac89\) (c) (a)の反復試行の確率の公式\({}_n\mathrm C_r\,p^r(1-p)^{n-r}\)は、\(n\)回中\(r\)回だけ特定のことが起こる確率を1回ずつ数え上げて求めるための道具である。実はこの式は、確率変数\(X\)が二項分布\(B(n,p)\)に従うときの「\(X=r\)である確率」の定義そのものであり、数Aで学んだ計算は、数Bでは二項分布という1つの分布の一部分(\(r=2\)のときの値)として位置づけ直される。 そして(b)の期待値・分散の公式\(E(X)=np,\ V(X)=np(1-p)\)は、(a)のように毎回\(r\)を決めて確率を1つずつ計算しなくても、「平均して何回くらい起こるか」「どれくらいばらつくか」という分布全体の傾向を、たった1本の式でまとめて表したものである。つまり、反復試行の確率の公式は二項分布の部品、期待値・分散の公式はその部品を集めた分布全体の要約という関係にある。 \(P(X=2)=\dfrac{8}{27}\)、\(E(X)=\dfrac43,\ V(X)=\dfrac89\)。反復試行の確率の公式は二項分布の確率の定義そのものであり、期待値・分散の公式はその分布全体の傾向を要約したものである。