質問<923>
「「領域の問題」」
日付 2002/8/16
質問者 mochi


一辺の長さが1の正三角形ABCがある。辺BC,辺CA、辺ABの
中点をそれぞれL、M,Nとし
      AP=BQ=CR=t
となる辺AB上の点をP,辺BC上の点をQ,辺CA上の点をRとし、
直線PM、直線QN,直線RLをそれぞれm1、m2、m3とする。
m1とm2、m2とm3、m3とm1との交点をそれぞれD,E,F
とし、三角形DEFを考える。
このときtが0から1まで変化するとき、三角形DEFが通過する領域
を図示しその面積を求めよ。

この問題がわかりません。
お手数ですがなるべくお早めに回答よろしくお願いします

お便り
日付 2002/8/18
回答者 tetsuya kobayashi



図の青線で囲まれた部分が求める領域です。
(赤線は三角形DEFの例です。)
曲線部分は極方程式の形式で記述することができます。
面積を計算すると、π/12+(3\(\sqrt{\quad}\)3)/16 となるでしょう。
(計算ミスをしている可能性もありますので、あまり信用しないよう。)

お便り
日付 2002/8/19
回答者 mochi


 早々にお答えいただいてありがとうございます。
申し訳ありませんが、青い部分の極方程式は
どのようにして求められるのでしょうか?

お便り
日付 2002/8/19
回答者 tetsuya kobayashi



こんにちは。

LF=r、∠FLC=θとおいたときのrとθの関係を求めてみよう。
ただし、0°≦θ≦60°とする。
対称性より、三角形DEFは正三角形となり、正三角形ABCの重心をG
とすると、正三角形DEFの重心もGとなる。
GからLFに下ろした垂線の足をHとする。
Lを原点、LC方向をx軸、LA方向(LG方向)をy軸とするxy直交座標を
考えると、
直線LFの式はy=(tanθ)x、G(0, (\(\sqrt{\quad}\)3)/6)となるから、
GとLFの距離すなわちGHの長さは、
点と直線の距離の公式を用い、
また1+(tanθ\()^{2}\)=1/(cosθ\()^{2}\)に注意し、
cosθ≧0であることから、
GH=((\(\sqrt{\quad}\)3)/6)cosθとなる。
∠FGH=60°、∠LGH=θであることから、
FH=(\(\frac{1}{2}\))cosθ、LH=((\(\sqrt{\quad}\)3)/6)sinθとなり、
LF=(\(\frac{1}{2}\))cosθ+((\(\sqrt{\quad}\)3)/6)sinθとなる。
したがって、Lを原点、LC方向を始線とする極座標を考えると、
0°≦θ≦60°のとき、
r=(\(\frac{1}{2}\))cosθ+((\(\sqrt{\quad}\)3)/6)sinθ
という極方程式でFの軌跡が求まります。

※ 60°<θ≦90°のとき、正三角形DEFは正三角形ABCに
完全に含まれてしまうので計算しなくていいでしょう。
※ ちなみに、θ=90°(t=1に相当)のときには
正三角形DEFは存在しませんね。