2つの点の和 z+w が動く範囲(A)
★★★☆☆☆☆(共通テスト) / 作成者: shonan / 2026/10/27
🔁 類題: 2つの点の和 z+w が動く範囲(B) (★★★☆☆☆☆(共通テスト))
問題
点 $z$ が円 $|z|=1$ 上を,点 $w$ が円 $|w-3|=1$ 上をそれぞれ独立に動くとき,点 $z+w$ の存在範囲を図示し,その面積を求めよ.
$w=3+v$ とおくと $|v|=1$ で,$z+w=3+z+v$ である.
$|z|=|v|=1$ のとき,$|z+v|\leqq|z|+|v|=2$ である.逆に,$|u|\leqq 2$ を満たす任意の複素数 $u$ は,$|z|=|v|=1$ を満たす $z$,$v$ を用いて $u=z+v$ と表せる.実際,$u=0$ のときは $z=1$,$v=-1$ とすればよい.$u\neq 0$ のときは,$u=|u|(\cos\alpha+i\sin\alpha)$ と表し,$\cos\varphi=\dfrac{|u|}{2}$,$0\leqq\varphi<\dfrac{\pi}{2}$ を満たす $\varphi$ をとって
\[ z=\cos(\alpha+\varphi)+i\sin(\alpha+\varphi),\quad v=\cos(\alpha-\varphi)+i\sin(\alpha-\varphi) \]
とすると,$|z|=|v|=1$ で,加法定理により
\[ z+v=2\cos\alpha\cos\varphi+2i\sin\alpha\cos\varphi=|u|(\cos\alpha+i\sin\alpha)=u \]
よって $z+v$ の存在範囲は $|u|\leqq 2$ であり,$z+w$ の存在範囲は
\[ |(z+w)-3|\leqq 2 \]
点 $3$ を中心とする半径 $2$ の円の周および内部で,面積は $4\pi$
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