【解説・採点基準付き】2018年九州大学文系数学の解答・解説
2018年の九州大学・文系数学の、
解答・解説【完全版】です。
方針の立て方・考え方はもちろん
オリジナルの採点基準付き。
このページで過去問演習が完結するので
赤本などは一切不要です。
※本記事の問題は、九州大学の入学試験問題から引用しています。
解答・解説は九大専門塾・竜文会が独自に作成したもので、九州大学が公表したものではありません。
2018年九州大学文系数学
第1問 解答・解説
この記事の配点・採点基準は九州大学が公表しているものではなく、竜文会が独自に作成したものです。
第1問は微分法・積分法(数学Ⅱ)・式と証明の問題です。
テーマは「3次関数のグラフが $x$ 軸に接する条件と、曲線と $x$ 軸で囲まれた部分の面積の最小」。
問題


問題文をテキストで読む
座標平面内の曲線 $y=x^3+ax^2+bx+c$ が点 $(c,0)$ において $x$ 軸に接しているとする。ただし、 $a,b$ は実数、 $c>0$ である。以下の問いに答えよ。
(1) $a,b$ をそれぞれ $c$ を用いて表せ。
(2) この曲線と $x$ 軸で囲まれた部分の面積を $S$ とする。 $S$ を最小にする $c$ の値を求めよ。
解答の方針
【(1)の方針】
$x$ 軸に接する点は、方程式 $x^3+ax^2+bx+c=0$ の重解になる。3次の係数は $1$ なので、 $(x-c)^2$ を因数にもつ形で書ける。


- 曲線は点 $(c,0)$ で $x$ 軸に接するので、方程式 $x^3+ax^2+bx+c=0$ は $x=c$ を重解にもつ。もう1つの解を $p$ として、 $x^3+ax^2+bx+c=(x-c)^2(x-p)$ とおく。
- 両辺の定数項を比べて $-c^2p=c$ とし、 $c>0$ より $p=-\dfrac1c$ を求める。
- 右辺 $(x-c)^2\left(x+\dfrac1c\right)$ を展開し、 $x^2$ と $x$ の係数を比べて $a,\ b$ を求める。
【(2)の方針】
面積に要るのは $x$ 軸との交点・接点の $x$ 座標と3次の係数だけ。曲線が $x$ 軸に接するので、面積は $\dfrac1{12}$ 公式の形になる。 $c+\dfrac1c$ は逆数どうしの和なので、相加平均・相乗平均で最小が求まる。


- $c>0$ より $-\dfrac1c<0<c$。 $-\dfrac1c\leqq x\leqq c$ では $(x-c)^2\geqq0$、 $x+\dfrac1c\geqq0$ なので、曲線は $x$ 軸より上にあり、囲まれた部分はこの区間にあることを確かめる。
- $S=\displaystyle\int_{-\frac1c}^{c}(x-c)^2\left(x+\dfrac1c\right)dx$ と書く。
- $x+\dfrac1c=(x-c)+\left(c+\dfrac1c\right)$ と分けて $x-c$ の塊のまま積分し、 $S=\dfrac1{12}\left(c+\dfrac1c\right)^4$ を求める。
- $c>0$、 $\dfrac1c>0$ なので、相加平均・相乗平均の関係から $c+\dfrac1c\geqq2$ を導き、等号が $c=1$ で成り立つことを確かめる。
- $c+\dfrac1c>0$ なので、 $S$ は $c+\dfrac1c$ が最小のときに最小になる。よって $S$ を最小にする $c$ を答える。
解答


解答をテキストで読む
(1) 配点 20点
曲線 $y=x^3+ax^2+bx+c$ は点 $(c,0)$ で $x$ 軸に接するので、 $x$ 軸の方程式 $y=0$ と連立した3次方程式 $x^3+ax^2+bx+c=0$ は $x=c$ を重解にもつ。3次の係数は $1$ なので、もう1つの解を $p$ とすると
$$x^3+ax^2+bx+c=(x-c)^2(x-p)\quad\cdots①$$
と書ける。
①の両辺の定数項を比べると、 $c=-c^2p$。 $c>0$ なので両辺を $c$ で割って $1=-cp$。よって
$$p=-\dfrac1c$$
①の右辺を展開すると
$$(x-c)^2\left(x+\dfrac1c\right)=(x^2-2cx+c^2)\left(x+\dfrac1c\right)=x^3+\left(\dfrac1c-2c\right)x^2+(c^2-2)x+c$$
定数項は $c$ で、左辺と一致している。 $x^2$ と $x$ の係数を比べて
答 $a=\dfrac1c-2c$、 $b=c^2-2$
別解( $f(c)=0$ かつ $f'(c)=0$ ) $f(x)=x^3+ax^2+bx+c$ とおく。曲線が点 $(c,0)$ で $x$ 軸に接するのは、点 $(c,0)$ を通り、そこでの接線の傾きが $0$ のときなので、 $f(c)=0$ かつ $f'(c)=0$。 $f'(x)=3x^2+2ax+b$ より
$$c^3+ac^2+bc+c=0,\qquad 3c^2+2ac+b=0$$
1つ目の式を $c\ (>0)$ で割ると $c^2+ac+b+1=0$。2つ目の式から引くと $2c^2+ac-1=0$ なので $a=\dfrac{1-2c^2}{c}=\dfrac1c-2c$。2つ目の式に代入して $b=-3c^2-2ac=-3c^2-2(1-2c^2)=c^2-2$ で、本解と同じになる。このときの曲線と $x$ 軸のもう1つの交点は、解が $c,\ c,\ p$ の3次方程式の解と係数の関係(3つの解の積 $c\cdot c\cdot p=-c$ )から $p=-\dfrac1c$ と求まる。
(2) 配点 30点
(1) より、曲線の式は $y=(x-c)^2\left(x+\dfrac1c\right)$ である。曲線と $x$ 軸の共有点の $x$ 座標は $c$ と $-\dfrac1c$ で、 $c>0$ より $-\dfrac1c<0<c$。
$-\dfrac1c\leqq x\leqq c$ では $(x-c)^2\geqq0$、 $x+\dfrac1c\geqq0$ なので $y\geqq0$ である。よって、曲線と $x$ 軸で囲まれた部分は $-\dfrac1c\leqq x\leqq c$ の範囲にあり、曲線が上、 $x$ 軸が下になる。
$$S=\int_{-\frac1c}^{c}\left\{(x-c)^2\left(x+\dfrac1c\right)-0\right\}dx=\int_{-\frac1c}^{c}(x-c)^2\left(x+\dfrac1c\right)dx$$
$x+\dfrac1c=(x-c)+\left(c+\dfrac1c\right)$ と分けると
$$S=\int_{-\frac1c}^{c}\left\{(x-c)^3+\left(c+\dfrac1c\right)(x-c)^2\right\}dx=\left[\dfrac{(x-c)^4}{4}+\left(c+\dfrac1c\right)\dfrac{(x-c)^3}{3}\right]_{-\frac1c}^{c}$$
$x=c$ のとき括弧の中は $0$。 $x=-\dfrac1c$ のとき $x-c=-\left(c+\dfrac1c\right)$ なので、括弧の中は
$$\dfrac14\left(c+\dfrac1c\right)^4-\dfrac13\left(c+\dfrac1c\right)^4=-\dfrac1{12}\left(c+\dfrac1c\right)^4$$
よって
$$S=0-\left\{-\dfrac1{12}\left(c+\dfrac1c\right)^4\right\}=\dfrac1{12}\left(c+\dfrac1c\right)^4$$
$c>0$、 $\dfrac1c>0$ なので、相加平均・相乗平均の関係より
$$c+\dfrac1c\geqq2\sqrt{c\cdot\dfrac1c}=2$$
等号は $c=\dfrac1c$、すなわち $c^2=1$ と $c>0$ より $c=1$ のときに成り立つ。
$c+\dfrac1c>0$ なので、 $S=\dfrac1{12}\left(c+\dfrac1c\right)^4$ は $c+\dfrac1c$ が小さいほど小さい。よって $S$ は $c+\dfrac1c=2$ のとき、すなわち $c=1$ のときに最小となり、最小値は $S=\dfrac1{12}\cdot2^4=\dfrac43$ である。
答 $c=1$
検算 $c=1$ のとき、(1) より $a=-1$、 $b=-1$ で、曲線は $y=x^3-x^2-x+1=(x-1)^2(x+1)$。 $x^3$ と $x$ は奇関数なので $\displaystyle\int_{-1}^{1}$ で消え
$$\int_{-1}^{1}(x^3-x^2-x+1)\,dx=2\int_0^1(-x^2+1)\,dx=2\left(-\dfrac13+1\right)=\dfrac43$$
で、 $\dfrac1{12}\cdot2^4=\dfrac43$ と一致する。
別解( $S$ を $c$ で微分する) $S(c)=\dfrac1{12}\left(c+\dfrac1c\right)^4$ を $c$ で微分すると
$$S'(c)=\dfrac13\left(c+\dfrac1c\right)^3\left(1-\dfrac1{c^2}\right)=\dfrac13\left(c+\dfrac1c\right)^3\cdot\dfrac{(c+1)(c-1)}{c^2}$$
$c>0$ では $S'(c)$ の符号は $c-1$ の符号と同じなので、 $S(c)$ は $0<c\leqq1$ で減少し、 $c\geqq1$ で増加する。よって $c=1$ で最小となり、本解と同じになる。
出題意図
(1) 曲線が $x$ 軸に接することを、方程式が重解をもつこと( $(x-c)^2$ を因数にもつこと)と捉え、係数を決めることができるか(教科書・チャートの例題レベル)
(2) 3次関数と $x$ 軸で囲まれた部分の面積を $\dfrac1{12}$ 公式の形で $c$ の式に表し、逆数どうしの和の最小を相加平均・相乗平均で求めることができるか
講評
| 難易度 | やや簡単 |
| 目標得点 | 50点 |
| 目標時間 | 25分 |
鍵は、$x$ 軸に接する条件をどう捉えるか。
$(x-c)^2$ を因数にもつ形で置いて係数を比べるが、この形にして係数比較するのは、初見では難しい。
$f(c)=0$ かつ $f'(c)=0$ で処理してもよいが、骨が折れる。
(1) がきついので、やや簡単とした。
ここが分かれば、(2) は $\dfrac1{12}$ 公式で処理する簡単な問題(公式の導出は書く)。
差がつく所・失点しやすい所
- 失点しやすい所:(2) で $\dfrac1{12}$ 公式を導出せずに使う所と、相加平均・相乗平均で等号が成り立つ $c=1$ を確かめずに最小と答える所。
2018年九州大学文系数学
第2問 解答・解説
第2問は整数の問題です。
テーマは「$2^n$ を7で割った余りと、2進法で101が6回連続する18桁の数 $m$ を7で割った余り」。
問題


問題文をテキストで読む
以下の問いに答えよ。
(1) $n$ を自然数とするとき、 $2^n$ を7で割った余りを求めよ。
(2) 自然数 $m$ は、2進法で101が6回連続する表示
$$101101101101101101_{(2)}$$
をもつとする。 $m$ を7で割った余りを求めよ。
解答の方針
【(1)の方針】
累乗を割った余りは、実験するとくり返しが見える。 $2^3=8$ は7で割ると1余るので、2を3回かけるごとに余りが元に戻る(周期3)。
- $n=1,\ 2,\ 3,\ 4,\ \cdots$ で $2^n$ を7で割った余りを調べ、2、4、1のくり返しと予想する。
- $2^3=8\equiv1\pmod7$ と合同式の積のルールから、 $2^{3k}\equiv1$ を示す。
- $n$ を3で割った余りで $n=3k+1,\ 3k+2,\ 3k$ に場合分けし、それぞれの余りを求める。
【(2)の方針】
2進法の数は、位取りで2の累乗の和に直せる。(1) より余りは3つごとにくり返すので、右から3桁ずつ区切ると、同じ「101」のかたまりが6つ並んでいると見られる。
- 位取りで $m$ を2の累乗の和で表す(一番右の桁は $2^0$ )。
- 右から3桁ずつ区切り、 $m$ を $2^{3j+2}+2^{3j}$ ( $j=0,\ 1,\ \cdots,\ 5$ )の6つのかたまりの和とみる。
- (1) より $2^{3j+2}$ の余りは4、 $2^{3j}$ の余りは1なので、どのかたまりも7で割った余りは5。
- 余りの和 $5\times6=30$ を7で割った余りを求める。
解答


解答をテキストで読む
(1) 配点 20点
以下、法を7とする合同式を用いる。
$$2^1=2,\qquad 2^2=4,\qquad 2^3=8\equiv1$$
よって、0以上の整数 $k$ に対して
$$2^{3k}=\left(2^3\right)^k\equiv1^k=1$$
$n$ を3で割った余りで場合分けする。
(i) $n=3k+1$ ( $k$ は0以上の整数)のとき $2^n=2\cdot2^{3k}\equiv2\cdot1=2$
(ii) $n=3k+2$ ( $k$ は0以上の整数)のとき $2^n=4\cdot2^{3k}\equiv4\cdot1=4$
(iii) $n=3k$ ( $k$ は自然数)のとき $2^n=2^{3k}\equiv1$
答 $n$ を3で割った余りが1のとき2、2のとき4、0のとき1
別解(二項定理) $2^{3k}=8^k=(7+1)^k$ を二項定理で展開すると
$$(7+1)^k={}_k\mathrm{C}_0+{}_k\mathrm{C}_1\cdot7+{}_k\mathrm{C}_2\cdot7^2+\cdots+{}_k\mathrm{C}_k\cdot7^k$$
で、2番目以降の項はすべて7の倍数。よって $2^{3k}$ は7で割ると1余る。あとは本解と同じく、 $2^{3k+1}=2\cdot2^{3k}$、 $2^{3k+2}=4\cdot2^{3k}$ から余りを求める。
( $2^{n+3}-2^n=7\cdot2^n$ は7の倍数なので、 $2^{n+3}$ と $2^n$ の余りは等しい、と示してもよい)
(2) 配点 30点
2進法の位取りより、一番右の桁から $2^0,\ 2^1,\ 2^2,\ \cdots,\ 2^{17}$ の位なので
$$m=2^{17}+2^{15}+2^{14}+2^{12}+2^{11}+2^9+2^8+2^6+2^5+2^3+2^2+2^0$$
右から3桁ずつ区切ると、どのかたまりも $101_{(2)}$ なので
$$m=\sum_{j=0}^{5}\left(2^{3j+2}+2^{3j}\right)$$
と、6つのかたまりの和で表せる( $2^{3j+2}+2^{3j}=5\cdot8^j$ )。
(1) より( $j=0$ のときは $2^2+2^0=5$ を直接計算して)
$$2^{3j+2}+2^{3j}\equiv4+1=5\pmod7$$
よって
$$m\equiv5\times6=30=7\cdot4+2\equiv2\pmod7$$
答 2
別解(等比数列の和) $m=5\left(1+8+8^2+\cdots+8^5\right)=5\cdot\dfrac{8^6-1}{7}=5\cdot37449=187245$ 。 $187245=7\cdot26749+2$ なので、余りは2。計算は重いが、本解の検算に使える。
(参考)2進法を3桁ずつ区切るのは、8進法に直すことと同じで、 $m=555555_{(8)}$ 。 $8\equiv1\pmod7$ なので、7で割った余りは8進法の各位の数の和 $5\times6=30$ の余りに等しい。10進法で、9で割った余りが各位の数の和で決まるのと同じ仕組み。
出題意図
(1) 累乗を割った余りが周期的にくり返すことに気づき、それを合同式で示すことができるか
(2) 2進法の数を位取りで2の累乗の和に直し、(1) の結果を使って大きな数の余りを求めることができるか
講評
| 難易度 | 標準 |
| 目標得点 | 30点 |
| 目標時間 | 20分 |
(1) は周期(サイクル)で処理するだけで簡単。
(2) は2進法の数をどう処理するかが鍵で、標準とした。
n進法の処理は苦手な受験生が多いが、20分で処理したい。
累乗の余りの周期と2進法の位取りを組み合わせた問題。
差がつく所・失点しやすい所
- 失点しやすい所:一番右の桁が $2^0$ の位であること(指数を1つずらして数えない)と、(1) で $n$ を3で割った余りの3通りを書き落とさないこと。
2018年九州大学文系数学
第3問 解答・解説
第3問は平面ベクトルの問題です。
テーマは「三角形ABCと点Oが与えられた平面で、動点Pに対する $L=PA^2+PB^2+PC^2$ をベクトルで表し、 $L$ を最小にする点が重心であることと、最小値が $\dfrac13(AB^2+BC^2+CA^2)$ であることを示す」。
問題


問題文をテキストで読む
平面上に三角形 $ABC$ と点 $O$ が与えられている。この平面上の動点 $P$ に対し、
$$L=PA^2+PB^2+PC^2$$
とおく。以下の問いに答えよ。
(1) $\vec a=\overrightarrow{OA}$、 $\vec b=\overrightarrow{OB}$、 $\vec c=\overrightarrow{OC}$ および $\vec x=\overrightarrow{OP}$ とおくとき、次の等式を示せ。
$$L=3\lvert\vec x\rvert^2-2(\vec a+\vec b+\vec c)\cdot\vec x+\lvert\vec a\rvert^2+\lvert\vec b\rvert^2+\lvert\vec c\rvert^2$$
(2) $L$ を最小にする点 $P$ は三角形 $ABC$ の重心であることを示せ。また、 $L$ の最小値は
$$\dfrac13(AB^2+BC^2+CA^2)$$
であることを示せ。
解答の方針
【(1)の方針】
$\mathrm{PA}$、 $\mathrm{PB}$、 $\mathrm{PC}$ は始点がばらばらなので、まず始点をOにそろえる。長さは2乗の形のまま、ベクトルの大きさの2乗として展開すればよい。


- 終点引く始点で $\overrightarrow{\mathrm{PA}}=\vec a-\vec x$、 $\overrightarrow{\mathrm{PB}}=\vec b-\vec x$、 $\overrightarrow{\mathrm{PC}}=\vec c-\vec x$ と表す。
- $\mathrm{PA}^2=|\vec a-\vec x|^2$ を、多項式と同じように展開する( $\mathrm{PB}^2$、 $\mathrm{PC}^2$ も同じ)。
- 3つを足して、 $|\vec x|^2$ の項・ $\vec x$ との内積の項・定数の項にまとめる。
【(2)の方針】
(1) の式は $\vec x$ の2次式なので、 $\vec x$ を変数と見立てて平方完成する。 $\dfrac{\vec a+\vec b+\vec c}{3}$ は重心Gの位置ベクトルなので、平方完成した式は $L=3\mathrm{PG}^2+(\text{Pによらない値})$ と読める。


- 重心Gの位置ベクトルを $\vec g=\dfrac{\vec a+\vec b+\vec c}{3}$ とおき、(1) の式を $L=3|\vec x|^2-6\vec g\cdot\vec x+|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2$ と書く。
- $\vec x$ について平方完成し、 $L=3|\vec x-\vec g|^2+|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2-3|\vec g|^2$ とする。
- $|\vec x-\vec g|=\mathrm{PG}$ で、残りの項はPによらないので、 $\mathrm{PG}^2\geqq0$ から $\mathrm{P}=\mathrm{G}$ のときに限り最小と結論する。
- 最小値 $|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2-\dfrac13|\vec a+\vec b+\vec c|^2$ を展開して整理し、 $|\vec b-\vec a|^2+|\vec c-\vec b|^2+|\vec a-\vec c|^2$ の $\dfrac13$ の形にする。
解答


解答をテキストで読む
(1) 配点 20点
始点をOにそろえる。終点引く始点より
$$\overrightarrow{\mathrm{PA}}=\vec a-\vec x,\qquad\overrightarrow{\mathrm{PB}}=\vec b-\vec x,\qquad\overrightarrow{\mathrm{PC}}=\vec c-\vec x$$
よって
$$\mathrm{PA}^2=|\vec a-\vec x|^2=|\vec x|^2-2\vec a\cdot\vec x+|\vec a|^2$$
同様に
$$\mathrm{PB}^2=|\vec x|^2-2\vec b\cdot\vec x+|\vec b|^2,\qquad\mathrm{PC}^2=|\vec x|^2-2\vec c\cdot\vec x+|\vec c|^2$$
3つを足すと
$$L=3|\vec x|^2-2(\vec a+\vec b+\vec c)\cdot\vec x+|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2$$
となり、等式が示された。(証明終)
(2) 配点 30点
三角形ABCの重心をGとすると、 $\overrightarrow{\mathrm{OG}}=\dfrac{\vec a+\vec b+\vec c}{3}$ である。これを $\vec g$ とおくと $\vec a+\vec b+\vec c=3\vec g$ なので、(1) より
$$L=3|\vec x|^2-6\vec g\cdot\vec x+|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2$$
$\vec x$ を変数と見立てて平方完成する。 $3|\vec x-\vec g|^2=3|\vec x|^2-6\vec g\cdot\vec x+3|\vec g|^2$ なので、余分な $3|\vec g|^2$ を引いて調整すると
$$L=3|\vec x-\vec g|^2+|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2-3|\vec g|^2$$
ここで $\vec x-\vec g=\overrightarrow{\mathrm{OP}}-\overrightarrow{\mathrm{OG}}=\overrightarrow{\mathrm{GP}}$ なので、 $|\vec x-\vec g|=\mathrm{PG}$ である。また、 $m=|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2-3|\vec g|^2$ とおくと、 $m$ は点Pによらない定数である。よって
$$L=3\mathrm{PG}^2+m$$
$\mathrm{PG}^2\geqq0$ で、等号が成り立つのは $\mathrm{P}=\mathrm{G}$ のときに限る。したがって、 $L$ を最小にする点Pは三角形ABCの重心Gであり、 $L$ の最小値は $m$ である。
重心Gを中心とする同じ円の上では $L$ の値は同じで、PがGに近づくほど $L$ は小さくなる。
次に $m$ を計算する。 $3|\vec g|^2=\dfrac13|\vec a+\vec b+\vec c|^2$ で、
$$|\vec a+\vec b+\vec c|^2=|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2+2(\vec a\cdot\vec b+\vec b\cdot\vec c+\vec c\cdot\vec a)$$
なので
$$m=\frac23\left(|\vec a|^2+|\vec b|^2+|\vec c|^2\right)-\frac23\left(\vec a\cdot\vec b+\vec b\cdot\vec c+\vec c\cdot\vec a\right)$$
ゴールの $\mathrm{AB}^2=|\vec b-\vec a|^2=|\vec a|^2-2\vec a\cdot\vec b+|\vec b|^2$ の形を作るように組みかえると
$$m=\frac13\left\{\left(|\vec a|^2-2\vec a\cdot\vec b+|\vec b|^2\right)+\left(|\vec b|^2-2\vec b\cdot\vec c+|\vec c|^2\right)+\left(|\vec c|^2-2\vec c\cdot\vec a+|\vec a|^2\right)\right\}$$
$$=\frac13\left(|\vec b-\vec a|^2+|\vec c-\vec b|^2+|\vec a-\vec c|^2\right)=\frac13\left(\mathrm{AB}^2+\mathrm{BC}^2+\mathrm{CA}^2\right)$$
よって、 $L$ の最小値は $\dfrac13(\mathrm{AB}^2+\mathrm{BC}^2+\mathrm{CA}^2)$ である。(証明終)
(確かめ: $\mathrm{A}(0,\ 0)$、 $\mathrm{B}(6,\ 0)$、 $\mathrm{C}(1,\ 4)$ のとき、重心は $\mathrm{G}\left(\dfrac73,\ \dfrac43\right)$ で、 $\mathrm{GA}^2+\mathrm{GB}^2+\mathrm{GC}^2=\dfrac{94}{3}$。一方 $\mathrm{AB}^2+\mathrm{BC}^2+\mathrm{CA}^2=36+41+17=94$ で、その $\dfrac13$ と一致する)
別解(始点を重心にとり直す) (1) の等式は、点Oがどこにあっても成り立つ。そこで (1) の等式を、Oの代わりに重心Gを始点として使う。 $\vec p=\overrightarrow{\mathrm{GA}}$、 $\vec q=\overrightarrow{\mathrm{GB}}$、 $\vec r=\overrightarrow{\mathrm{GC}}$ とおくと、Gは重心なので $\vec p+\vec q+\vec r=\vec0$。よって (1) より
$$L=3\mathrm{GP}^2+|\vec p|^2+|\vec q|^2+|\vec r|^2$$
となり、第2項以降はPによらないので、Lは $\mathrm{P}=\mathrm{G}$ のときに限り最小で、最小値は $|\vec p|^2+|\vec q|^2+|\vec r|^2$。さらに $|\vec p+\vec q+\vec r|^2=0$ を展開すると $\vec p\cdot\vec q+\vec q\cdot\vec r+\vec r\cdot\vec p=-\dfrac12\left(|\vec p|^2+|\vec q|^2+|\vec r|^2\right)$ なので
$$\mathrm{AB}^2+\mathrm{BC}^2+\mathrm{CA}^2=2\left(|\vec p|^2+|\vec q|^2+|\vec r|^2\right)-2\left(\vec p\cdot\vec q+\vec q\cdot\vec r+\vec r\cdot\vec p\right)=3\left(|\vec p|^2+|\vec q|^2+|\vec r|^2\right)$$
よって最小値は $\dfrac13(\mathrm{AB}^2+\mathrm{BC}^2+\mathrm{CA}^2)$。和が $\vec0$ になる点に始点をとると、1次の項が消えて計算が軽くなる。
出題意図
(1) 始点をOにそろえて長さをベクトルの大きさで表し、2乗して展開できるか(教科書レベルの計算)
(2) ベクトル $\vec x$ の2次式を平方完成し、「 $\mathrm{PG}^2$ の3倍+一定の値」の形に読みかえられるか。最小値の定数を、辺の長さの2乗で表すまで式変形をやり切れるか。
講評
| 難易度 | やや簡単 |
| 目標得点 | 50点 |
| 目標時間 | 25分 |
抽象的な問題だが、(1) は始点をそろえて計算するだけで簡単。
(2) は $\vec x$ が変数なので、$\vec x$ について平方完成するだけ。
ゴリゴリ計算するだけで発想はいらないので、やや簡単とした。
「 $\mathrm{PA}^2+\mathrm{PB}^2+\mathrm{PC}^2$ は重心で最小」は、チャートの例題に載っている有名な事実で、しかも (1) で式まで与えられている。
九大文系数学は「微積とベクトルは絶対に取る」が鉄則。
差がつく所・失点しやすい所
- (2) で差がつくとすれば:「重心で最小」を「 $L=3\mathrm{PG}^2+(\text{Pによらない値})$ の形に書ける」と言いかえ、 $\vec x$ について平方完成するという発想に行き着けるか。
- 失点しやすい所:最小値の定数を $\mathrm{AB}^2=|\vec b-\vec a|^2$ の形に組みかえる所。ゴールの形を先に書いてから整理しないと、式変形が迷走しやすい。
2018年九州大学文系数学
第4問 解答・解説
第4問は確率の問題です。
テーマは「a、b、c の順に不良品の確率が決まる製品で、cが不良品だったときにbも不良品である条件付き確率」。
問題


問題文をテキストで読む
3つの部品a、b、cからなる製品が多数入った箱がある。製品を1つ取り出したとき、部品a、b、cが不良品である確率について次のことがわかっている。
・部品aが不良品である確率は $p$ である。
・部品aが不良品でないとき、部品bが不良品である確率は $q$ である。
・部品aが不良品であるとき、部品bも不良品である確率は $3q$ である。
・部品bが不良品でないとき、部品cが不良品である確率は $r$ である。
・部品bが不良品であるとき、部品cも不良品である確率は $5r$ である。
ただし、 $0<p<1$、 $0<q<\dfrac13$、 $0<r<\dfrac15$ である。以下の問いに答えよ。
(1) 製品を1つ取り出したとき、部品a、bの少なくとも一方が不良品である確率を $p,q$ を用いて表せ。
(2) 製品を1つ取り出したとき、部品cが不良品である確率を $p,q,r$ を用いて表せ。
(3) 製品を1つ取り出したところ部品cが不良品であった。このとき、部品bも不良品である確率を $p,q$ を用いて表せ。
解答の方針
条件は5つあるが、確率の決まり方は「aの良否→bの確率」「bの良否→cの確率」の2段だけ。まず状況を言葉にして、2つの樹形図に整理する。




【(1)の方針】
「少なくとも一方が不良品」は場合が3つあるが、余事象「aもbも良品」なら1つで済む。
- aの良否で分け、続けてbの良否で分ける樹形図を書く。
- 余事象「aもbも良品」の確率を $(1-p)(1-q)$ と求める。
- 1から引く。
【(2)の方針】
cの確率はbの良否で決まるので、まずbが不良品である確率を求め、bの良否で場合分けする。aは、bが不良品である確率を通してだけ関係する。
- aの良否で場合分けし、bが不良品である確率 $3pq+(1-p)q=q(1+2p)$ を求める。
- 「cが不良品」を「bが不良品でcも不良品」と「bが良品でcが不良品」の2つに分ける。
- それぞれ $5r\cdot q(1+2p)$、 $r\{1-q(1+2p)\}$ と求めて足し、整理する。
【(3)の方針】
条件付き確率は、分母(条件)と分子(条件かつ求めるもの)をまず日本語で書く。分母は (2) の答えそのもの。
- 分母「cが不良品である確率」、分子「bもcも不良品である確率」と日本語で書く。
- 分母は (2) の答え、分子は (2) で求めた $5r\cdot q(1+2p)$ を使う。
- 割って $r$ を約分する。
解答


解答をテキストで読む
3つの不良品の事象を、次のように表す。
・$A$ :aが不良品である
・$B$ :bが不良品である
・$C$ :cが不良品である
問題の条件は
$$P(A)=p,\quad P_{\overline{A}}(B)=q,\quad P_A(B)=3q,\quad P_{\overline{B}}(C)=r,\quad P_B(C)=5r$$
である。aの良否でbが不良品である確率が決まり、bの良否でcが不良品である確率が決まる。
(1) 配点 12点
aの良否で分け、続けてbの良否で分けると、次の樹形図になる。
「aとbの少なくとも一方が不良品である」の余事象は「aもbも良品である」で、その確率は
$$P(\overline{A}\cap\overline{B})=P(\overline{A})P_{\overline{A}}(\overline{B})=(1-p)(1-q)$$
よって、求める確率は
$$1-(1-p)(1-q)=p+q-pq$$
答 $p+q-pq$ ( $=p+(1-p)q$ )
(確かめ:直接数えると「aが不良品」の $p$ と「aが良品でbが不良品」の $(1-p)q$ の和で $p+(1-p)q=p+q-pq$ となり一致)
(2) 配点 20点
まず、bが不良品である確率を求める。aが不良品のときとaが良品のときに分けると、(1) の樹形図から
$$P(B)=P(A)P_A(B)+P(\overline{A})P_{\overline{A}}(B)=p\cdot3q+(1-p)q=q(1+2p)$$
cが不良品であるのは、「bが不良品で、cも不良品」と「bが良品で、cが不良品」の2つの場合で、これらは同時には起こらない。
$$P(B\cap C)=P(B)P_B(C)=5r\cdot q(1+2p)$$
$$P(\overline{B}\cap C)=P(\overline{B})P_{\overline{B}}(C)=r\{1-q(1+2p)\}$$
よって
$$P(C)=5rq(1+2p)+r\{1-q(1+2p)\}=r\{1+4q(1+2p)\}=r(1+4q+8pq)$$
答 $r(1+4q+8pq)$
(cの確率は、bの良否ごとの確率 $5r$、 $r$ だけで決まる。aの良否は、 $P(B)$ を通してだけ関係する)
(3) 配点 18点
求める確率は、cが不良品であるという条件のもとで、bも不良品である条件付き確率である。分母と分子を日本語で書くと
・分母:cが不良品である確率
・分子:bもcも不良品である確率
記号では $P_C(B)=\dfrac{P(B\cap C)}{P(C)}$ である。
(2) で求めた、cが不良品になる場合の確率を表にまとめると、次のようになる。
| cが不良品のとき | 確率 |
|---|---|
| bも不良品 | $5rq(1+2p)$ |
| bは良品 | $r\{1-q(1+2p)\}$ |
| 合計 | $r(1+4q+8pq)$ |
分母は表の「合計」、分子は「bも不良品」の確率である。
$$P_C(B)=\dfrac{5rq(1+2p)}{r(1+4q+8pq)}=\dfrac{5q(1+2p)}{1+4q+8pq}$$
答 $\dfrac{5q(1+2p)}{1+4q+8pq}$ ( $=\dfrac{5q+10pq}{1+4q+8pq}$ )
(確かめ:答えに $r$ が残らないので、問題文の「 $p,q$ を用いて表せ」と合う。また、分母から分子を引くと $1-q(1+2p)>0$ ( $q<\dfrac13$、 $1+2p<3$ より)なので、答えは1より小さい)
検算 $p=\dfrac3{10}$、 $q=\dfrac15$、 $r=\dfrac1{10}$ として、a・b・cの良否の8通りの確率を樹形図どおりにかけると、次のようになる(○は良品、×は不良品)。
| a | b | c | 確率 |
|---|---|---|---|
| × | × | × | $\dfrac{9}{100}$ |
| × | × | ○ | $\dfrac{9}{100}$ |
| × | ○ | × | $\dfrac{3}{250}$ |
| × | ○ | ○ | $\dfrac{27}{250}$ |
| ○ | × | × | $\dfrac{7}{100}$ |
| ○ | × | ○ | $\dfrac{7}{100}$ |
| ○ | ○ | × | $\dfrac{7}{125}$ |
| ○ | ○ | ○ | $\dfrac{63}{125}$ |
8つの和は1。aとbがともに○の2つの和は $\dfrac{14}{25}$ で、(1) は $1-\dfrac{14}{25}=\dfrac{11}{25}$。cが×の4つの和は $\dfrac{57}{250}$、そのうちbも×の2つの和は $\dfrac{4}{25}$ で、(3) は $\dfrac{4}{25}\div\dfrac{57}{250}=\dfrac{40}{57}$。答えの式に代入した値 $p+q-pq=\dfrac{11}{25}$、 $r(1+4q+8pq)=\dfrac{57}{250}$、 $\dfrac{5q(1+2p)}{1+4q+8pq}=\dfrac{40}{57}$ と一致する。
出題意図
長い条件を「aの良否でbの確率が決まり、bの良否でcの確率が決まる」と整理し、樹形図に表すことができるか
(1) 「少なくとも一方」を余事象「aもbも良品」に言いかえられるか(教科書レベル)
(2)(3) bが不良品である確率を先に求め、bの良否で場合分けしてcが不良品である確率を求められるか。条件付き確率の分母と分子を取り違えずに立式できるか。
講評
| 難易度 | やや簡単 |
| 目標得点 | 50点 |
| 目標時間 | 25分 |
条件付き確率の定義と樹形図(表でもよい)だけで解ける問題。
部品a、b、cの良品・不良品の分布を表にすれば (1) は終わり、(2) はそこから樹形図を広げていくだけ。
aとb、bとcがそれぞれ連動していて、cまであるので面倒だが、やや簡単。
条件付き確率は、受験生の苦手な所を突いてくる。
この年の受験生には不運だった。
差がつく所・失点しやすい所
- 2018年の合否を分けた1問:条件付き確率で、「aの良否でbの確率が決まり、bの良否でcの確率が決まる」と状況を言葉にして表や樹形図に整理し、満点を取れるか。やや簡単な問題だが、苦手な受験生が多い条件付き確率なので、ここで満点を取れるかが分かれ目になる。整理できれば、あとは計算だけ。
- 失点しやすい所:(2) でbが不良品である確率を $q$ のまま使う所と、(3) で分母と分子を逆にして $5r$ と答える所。分母と分子を日本語で書けば防げる。
2018年九州大学・文系数学の
講評とまとめ
4問の難易度と目標得点をまとめると、次のとおりです。
| 大問 | 難易度 | 目標点 |
|---|---|---|
| 第1問 | やや簡単 | 50点 |
| 第2問 | 標準 | 30点 |
| 第3問 | やや簡単 | 50点 |
| 第4問 | やや簡単 | 50点 |
| 全体 | やや簡単 | 160点 |
大問ごとの目標点は、それぞれの大問を単体で解いたときの理想の点です。足すと180点になりますが、全体の目標点は160点です。
条件付き確率やn進法など、受験生が苦手とする単元が出た年で、この年の受験生は不運でした。
整数問題は文系でも頻出なので、必ず処理できるようにしておきましょう。
ガウス記号やn進法は、苦手な受験生が多く、出ないと高をくくる受験生も多いのですが、実際に出ます。
しっかり練習しておいてください。
過去問は、できる限り遡って、こういう年にも触れておくとよいです。
目標点は160点です。
合否を分けるのは、第4問のやや簡単な確率で満点を取れるかです。
解く流れ
- 第3問→第1問→第2問→第4問(微積・確率・ベクトルなど取りやすい問題を先に確実に取る)
- 目標時間の合計は95分(第1問25分・第2問20分・第3問25分・第4問25分)。残りの25分は見直しと予備。
2018年九州大学・文系数学に
関するよくある質問
2018年の九州大学・文系数学について、よく聞かれる質問にお答えします。
- 2018年の九州大学・文系数学は難しかった?
-
やや簡単な年でした。
第1問・第3問・第4問はやや簡単、第2問は標準です。
どの大問もチャートの例題の型で解けますが、条件付き確率や2進法といった、苦手な受験生が多い単元が出ました。 - 2018年の九州大学・文系数学は何点取れば合格できる?
-
目標点は160点です(200点満点)。
- 2018年の九州大学・文系数学はどこで差がつく?
-
第1問・第3問は満点を、第2問は (1) を確実に取っておきたいところです。そのうえで、差がつくのは次の1つです。
- 第4問:「aの良否でbの確率が決まり、bの良否でcの確率が決まる」と状況を言葉にして樹形図に整理し、条件付き確率の分母と分子を取り違えずに満点を取れたか。2018年の合否を分けた一問です。
- 2018年の九州大学・文系数学は何が出題された?
-
大問ごとの単元は、次のとおりです。
- 第1問:微分法・積分法(数学Ⅱ)・式と証明
- 第2問:整数
- 第3問:平面ベクトル
- 第4問:確率


