京大理系数学'20年前期[1]
a,bは実数で、
とする。zに関する方程式
・・・(*) は3つの相異なる解を持ち、それらは複素数平面上で、一辺の長さが
の正三角形の頂点となっているとする。このとき、a,bと(*)の3つの解を求めよ。
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解答 複素数平面上で正三角形の頂点となっている3次方程式の解の考え方は色々あります。ここでは、1の3乗根の1つ、
を使って考えてみます。
,
です。
1辺の長さが
の正三角形の外接円の半径をrとすると、正弦定理より、
∴ 
αを
となる複素数とすると、原点を中心とする半径aの円周上に
,それを原点の周りに
回転した
,さらに
回転した
の3点をとると、正三角形となります。さらに、この3点を複素数平面上でβだけ平行移動した、
,
,
が、(*)の相異なる3解になっているとします。
3次方程式の解と係数の関係より、
・・・@
・・・A
・・・B @より、
∴
・・・C
よって、(*)の3解は、
,
,
になります。 (**)
Aより、
∴
・・・D
Bより、

・・・E ここで、
・・・F は実数なので、
,よって、
も実数ですが、
より、
∴ 
Fより、
なので、
,Fより、
,aは実数なので、
,Dより、
∴ 
・
のとき、(**)の3解は、
・・・G,
・・・H,
・・・I・
のとき、このαは、
を原点の周りに
回転させた点
なので、(**)の3解は、
はHに一致し、
はIに一致し、
はGに一致します。 ・
のとき、このαは、
を原点の周りに
回転させた点
なので、(**)の3解は、
はIに一致し、
はGに一致し、
はHに一致します。 以上より、
,
,(*)の3解は、
,
,
......[答]
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