「2次関数の図形への応用」の質問と回答

1
周囲の長さが 20cmである長方形について、 この長方形の対角線を1辺とする正方形の面積の最小値を求めよ。
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2
1本の細い針金がある。これを2つに分けて2つの円周を作る。
この2円の面積の和が最小となるのはどのようなときか。

GO
3
∠C=90°、CA=9、 AB=6√3 の△ABCがある。
点Pは頂点CからAまで、辺CA上を 毎秒3 の早さで進む。
点Qは点Pと同時に頂点Bを出発し、頂点Cまで辺BC上を毎秒 √3 の速さで進む。
このとき、PQ間の距離の最小値を求めよ。

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4
直角二等辺三角形ABCがあって、AB=AC=10とする。
辺 AB 上に A以外の点 Pをとって、AP を1辺とする正方形を、ABに関して点Cと同じ側に作る。
APの長さを x、APを1辺とする正方形とこの直角二等辺三角形との共通部分の面積を y とする。
y を x の関数として表せ。
GO
5
P、Qは放物線 y=x^{2} 上を動く2点で、P は第2象限、Q は第1象限に あるとする。
P、Qから x 軸に下ろした垂線を PL、QM とするとき、 常に LM=2 であるという。
台形PLMQ の面積の最小値を求めよ。
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2次関数の決定    放物線と他の図形との位置関係    最大・最小     質問と回答TOPへ

 

2次関数の図形への応用

まなみさん [Profile レッスン室に住む10代の秘密の方]  投稿日 2002/5/16(木)21:45
 

私は高校生になってまだ1ヵ月ほどしかたってない高1です。
えっと、問題集の問題です。

『周囲の長さが20cmである長方形について次の問いに答えよ。
(1)この長方形の対角線を1辺とする正方形の面積の最小値を求めよ。』

という問題で、答えを求める式が
x2(←Xの二乗)+(10ーX)2(←二乗)

となっていたのですが、どうしてこういう式が成り立つのかがどうしても分かりません。
ここにはとっても頭のいい人がいっぱいいるみたいで難しい問題が多い中、つまらない問題で申し訳ないんですけど、どなたか教えて下さい。

よろしくお願いします。


池田 敦 さん [Profile 大阪府に住む23才の男性の方] 投稿日:2002/5/16(木)22:10

はじめまして。助っ人(?)の池田です。

まず、長方形の片方の辺の長さを x とするのはいいですね?
すると、もう片方の辺の長さがどうなるかと言いますと、
これを仮に y とでもおきましょうか。
(ちょっとくどいかも知れませんが)
長方形には同じ長さの辺が2本ずつあるのですから、
   2x+2y=20
が成り立ちますので、これから y を求めると
   y=10-x
となります。

で、問題は対角線の長さですね。
中3の時に習ったと思いますが、三平方の定理を使います。
長方形の角は直角ですから、対角線の長さを a と置くと、
   a^2=x^2+(10-x)^2
となるのです。
ここで求めたいのは「対角線を1辺とする正方形の面積」ですから、
つまり a^2 がそのまま使えるのです。

だから、求める式は x^2+(10-x)^2 なのですね。これでわかりましたか?

 
  ありがとうございます!投稿者:まなみさん  
[Profile レッスン室に住む10代の秘密の方] 投稿日:2002/5/17(金)23:52
    詳しい解説ありがとうございました。
また分からない問題があったら教えて下さいね。

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2次関数の図形への応用
パタさん    [Profile 海外に住む高校1年生の女性の方] 投稿日2002/8/18(日)23:20


1本の細い針金がある。これを2つに分けて2つの円周を作る。
この2円の面積の和が最小となるのはどのようなときか。

という問題で、何十分もかけて、まず2円の半径をx,yとおいて針金の長さを
2πx+2πy とおくところまで辿り着いたんですが、その後そこまであってるか
解答例を見たら

2πx+2πy=4πa(aは正の定数)  (←)
x>0、y>0 …1
とおける。2円の面積の和をSとすると、
 S=πx^{2}+πy^{2}  …2
@から y=2a-x>0
よって  0<x<2a …3
また S=πx^{2}+π(2a-x)  …4
=π(2^{2}-4ax+4a^{2})
    =π{2(x-a)^{2}+2a^{2}}    
よって、Bの範囲でSはx=aで最小値2πa^{2}をとる。
また、x=aのとき y=a
したがって針金を等分するとよい。

と書いてありました。
でもその解答例見てもさっぱり意味が分かりません((←)というところから)

@なんで 1から y=2a-x>0  よって  0<x<2a  となるのか
@なんで2πx+2πy=4πa(aは正の定数)と表せるのか


がわかりません。 教えて下さい。


londontrafficさん  [Profile 秘密に住む30代の男性の方] 投稿日:2002/8/19(月)08:16

>@なんで 1から y=2a-x>0  よって  0<x<2a  となるのか
これからいきましょう。

2πx+2πy=4πa の両辺を2πで割ると
x+y=2a
xを移項して、(yは長さですから)y=2a-x>0(←これが正しい)
2a-x>0 でxを移項して
x<2a
xも長さですから、x>0のハズなので、0<x<2a

くどく書きましたが、普通これらは解答例のように省略して書きます。

さて、次です。
>@なんで2πx+2πy=4πa(aは正の定数)と表せるのか
私なら...

2つの円の半径をx,y、針金全体の長さをkとおくと
2πx+2πy=k(kは正の定数)
y=k/2π-xと変形できて、x>0かつy=k/2π-x>0より
0<x<k/2π・・・(1)
2円の面積の和をSとすると
S=πx^2+πy^2=πx^2+π(k/2π-x)^2=2π(x-k/4π)^2+k^2/8π
(1)から、x=k/4πのときSは最小値k^2/8πをとり、このときy=k/4πとなるから、
二つの針金の長さを2等分したとき最小値をとる。

・・・と答案を作りますね。

私の答案は、分数(式)の形が出てきて、計算が大変だとおもいません?
その点解答例は、分数の形が出てこなくて、計算が楽だし綺麗でしょう。
どこで差がついたのかというと、
解答例では4πa、私の解答ではk
とおいた針金全体の長さなのです。

>まず2円の半径をx,yとおいて針金の長さを2πx+2πy とおくところまで辿り着いた
ここまではバッチリです。あとは、2πx+2πy=□となる針金全体の長さ□を「自分で決めてしまえば」okなんですよ。

解答例の様な置き方ができれば計算が楽に済むのですが、なかなか気がつかないと思います。
私のような置き方でも計算はキツイですが、解けます。だからまずは、キツイ計算に慣れましょう。その後、上手な置き方ができるように努力してみてください。

お分かりいただけました?

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2次関数の図形への応用
まなみさん    投稿日2002/5/21(火)23:20

∠C=90°、CA=9、AB=6sqrt{3}の△ABCがある。点Pは頂点CからAまで、辺CA上を 毎秒3秒の早さで進む。点Qは点Pと同時に頂点Bを出発し、頂点Cまで辺BC上を毎秒sqrt{3}の早さで進む。このとき、PQ間の距離の最小値を求めよ。

という問題です。
三平方の定理を使うのかな?と思うんですけど、BCの長さがだせなくて困ってます。

PS★私も趣味でピアノ弾いてます。
高校は勉強以外はあまり忙しくないですから結構練習の時間がとれるもので。

池田 敦さん  投稿日:2002/5/21(火)23:25

お察しのとおり、三平方の定理を使います。
ここでは∠C=90°ですから、
   AB^2=BC^2+CA^2
が成り立ちます。これに直接 AB=6sqrt{3} と CA=9 を代入すると?
   (6sqrt{3})^2=BC^2+9^2
   36×3=BC^2+81
   BC^2=108-81=27
   BC=3sqrt{3}
となります。ひとまず、これでどうでしょうか?

ピアノのことですが(ここは何のサイトやねん!?)、
私はこの歳になって未だに毎朝(!)ピアノを弾いています。
最近はベートーヴェンの後期ソナタがお気に入りですが、
かつてはリストをガンガン弾いていたこともありました。

二次関数の最大・最小は、個人的には高校3年間の数学で一番重要だと思います。
ちょうどハノンのスケールと同じように (^^;
(スケールだって、12調&長調短調の組合せを全部するのは大変ですよね)
今はしんどいかも知れませんが、頑張ってクリアして下さい!


新矢さん  [Profile 兵庫県に住む秘密の男性の方] 投稿日:2002/5/22(水)03:17

まなみさん,こんにちわ。

大きい絵を書きましたか?

BC^{2}=AB^{2}-AC^{2}=(6√3)^{2}-9^{2}=108-81=27
ゆえに BC=3√3

t秒経った時,PC=3t ,BQ=√3t ですね。
PQ の長さも三平方で出せばいいでしょう。

PQ^{2}=PC^{2}+QC^{2}=(3t)^{2}+(3√3-√3t)^{2}
   =12t^{2}-18t+27

結局2次関数の最小値問題ですから,平方完成しましょう。


書き忘れましたm(..)m 投稿者:まなみさん  [Profile レッスン室に住む高校1年生の女性の方] 投稿日:2002/5/22(水)20:40

教えてもらった問題、PQ^{2}=12^{2}-18x+27まで出せたんですけど、その後は、どうやって計算すればよいのでしょうか?
PQ^{2}をPQに直すんですか?
教えて下さい。
ホント、馬鹿ですいませんm(T_T)m

新矢さん  [Profile 兵庫県に住む秘密の男性の方] 投稿日:2002/5/22(水)20:55

PQ^{2}のまま平方完成してしまいます。
その結果より,PQ^{2} の最小値は 81/4 となるはずです。
これの√をとって,PQ の最小値は 9/2 とします。

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2次関数の図形への応用
まなみさん    [Profile レッスン室に住む高校1年生の女性の方] 投稿日2002/5/22(水)20:59

やっとこ分かりました。
高校の数学は難しいです^^;

&もう1つ、分からない問題があったので教えて下さい。

直角二等辺三角形ABCがあって、AB=AC=10とする。辺AB上にA以外の点Pをとって、APを1辺とする正方形を、ABに関して点Cと同じ側に作る。APの長さをx、APを1辺とする正方形とこの直角二等辺三角形との共通部分の面積をyとする。
yをxの関数として表せ。

という問題です。
変域を使って(0<x≦5)、(5<x≦10)
にわけて考えて、式を作るってところは理解できて、(0<x≦5)のときの式は作れたんですけど、(5<x≦10)のときの式をどうやって求めたらいいかわかりません。
教えて下さい!


池田 敦さん   [Profile 大阪府に住む大学院生の男性の方] 投稿日:2002/5/22(水)21:42

ピアノ好きな助っ人の池田です。

つまり、正方形が三角形 ABC からはみ出る時ですよね。
0≦x<5 の時は大丈夫のようですから、
今回は、この三角形の辺の長さの求め方に絞って解説していきます。

手元に図を描いて考えてみましょう。
説明の便宜上、点にいろいろ名前を付けていきます。
 ・AP を1辺とする正方形の、P の隣の頂点(はみ出している頂点)を Q とします。
 ・PQ と BC の交点を R とします。
このとき、PQ=x なのは条件そのまんまですが、
ここでは QR の長さを求めたいんですよね。

いきなり QR の長さと言われても困りますが、PQ の長さがわかりますし、
PR の長さがわかればよさそうですよね。
だって、QR=PQ-PR なんですから。
ここで三角形 PBR を考えてみると、これも直角二等辺三角形で、
PB=PR が成り立ちます。
ここで PB の長さは 10-x ですから、PR=10-x がいえます。
すると、
   QR=PQ-PR
    =x-(10-x)
    =2x-10
となります。

後は、とりあえず自分で考えてみますか?
もし「まだわからない〜」ということがあったら、また質問してください。

ありがとうございました。 投稿者:まなみさん 
[Profile レッスン室に住む高校1年生の女性の方] 投稿日:2002/5/22(水)22:06

いつも質問ばっかりしててすいません。
とても為になっています。
また分からない問題があったら(←いや、絶対ある…‐‐;)
お願いします。

ピアノ、頑張りましょうね。

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2次関数の図形への応用
さん    [Profile 中国地方に住む高校1年生の女性の方] 投稿日2002/6/9(日)14:44

問題:P、Qは放物線y=xの2乗上を動く2点で、Pは第2象限、Qは第1象限に
   あるとする。P、Qからx軸に下ろした垂線をPL、QMとするとき、
   常にLM=2であるという。台形PLMQの面積の最小値を求めよ。

という問題でほんとは図が書いてあるんですけど・・。全然分からなくて。
お願いしますっ!なるべく詳しく教えてください。


新矢さん  [Profile 兵庫県に住む男性の方] 投稿日:2002/6/9(日)19:46

唯さん,はじめまして。
009を見てたので,回答が遅くなってしまいました。

図を見ながら読んでください。
点Pのx座標を t とします。y座標は t^{2} (← tの2乗のこと)
となりますね。
PL の長さはPのy座標に等しいから,PL=t^{2} です。

問題はQの座標をどうするかです。
Lのx座標は t です。LM=2 ですから,MはLより2だけ右にありますね。
だから,Mのx座標は t+2 となります。(ここ,宜しいでしょうか?)
Qのx座標も t+2 とかけます。Qのy座標は (t+2)^{2} となりますから,
QMの長さは (t+2)^{2} と表せます。

あとは,台形の面積の公式 S=1/2×(上底+下底)×高さ を使って

 S =1/2×(PL+QM)×LM
  =1/2×{t^{2}+(t+2)^{2}}×2
  =t^{2}+(t+2)^{2}
  =2t^{2}+4t+4
最小値を求めるのですから,平方完成です。
 S=2(t+1)^{2}+2

となり,t=-1 のとき,すなわち P(-1,1) のとき,
面積の最小値2となります。

このとき,Q(1,1) ですから,四角形PLMQは長方形ですね。


ありがとうございましたー♪ 投稿者:さん  [Profile 中国地方に住む高校1年生の女性の方] 投稿日:2002/6/9(日)21:39

新矢さん本当にありがとうございます☆とってもわかりやすく説明してもらって
理解できましたー♪

補足質問 投稿者:さん  [Profile 中国地方に住む高校1年生の女性の方] 投稿日:2002/6/10(月)17:23

何度も悪いんですが、もう1つ質問していいですか?昨日の2次関数の演習問題についてなんですけど・・ヒントとして[Qの座標を(x,xの2乗)とすると、
0<x<2であり、面積S=2(xの2乗−2x+2)]と書いてあったんですけど
このヒントを使った解き方も教えてくれませんか?何度も本当にすいません・・。
お願いしますっ!

新矢さん  [Profile 兵庫県に住む男性の方] 投稿日:2002/6/11(火)00:35

ヒントは Q のx座標を x としています。
点Qは第1象限ですから,x>0 です。
Qのx座標は 例えば 5 なんて取れません。なぜなら,そのときPのx座標は 3 になってしまい,Pは第2象限という条件に反すからです。
ですから,Qのx座標は0から2の間しかとれません。
 0<x<2 というのは,そういう意味です。

Qのy座標 つまり QMの長さは x^2 です。
Pのx座標は x-2 とかけますね。
Pのy座標 つまりPLの長さは (x-2)^{2} となります。あとは昨日と同じようにして,やってみて下さい。

因みに昨日の私の解き方は P(t,t^2) としましたから,
-2<t<0 という条件が実は必要だったのです。

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