(99 鹿児島大 4ー2)

 α=cos(72゜)+isin(72゜)とおくとき、次の問に答えよ。
 ただし、iは虚数単位とする。
(1)等式(x−1)(x+x+x+x+1)=x−1が成り立つことを示せ。
(2)αは方程式x=1および、x+x+x+x+1=0の解となることを示せ。
また、      を極形式を用いて表せ。
          1
          ----
           α
(3)               1
   β=α+----とおくとき、(2)よりβは方程式x+x−1=0の解と
                  α
なることを示し、これを用いて、
                     浮T−1                         10+2浮T
 cos(72゜)=----------  、sin(72゜)=--------------
                          4                                    4
となることを証明せよ。

 
 
【解説】 
  
(1)は数学Aの式の展開である。2次に出題するのはどうかという意見もあるかもしれないが,受験生にとって,ほっと一息つく,導入としては良い問題と思われる。 
逆に,これが出来ないと合格は出来ないだろう。(これが解けない人は受験してないはず!) 
(2)(3)は,図形的には複素数平面上の正五角形の問いである。 
教科書にもこの問いでいうところのαまでは載っているので,見覚えある「よしっ」という受験生も多かったのではなかろうか。 
見たことが無くても,証明としての出題であるため,力技で解に近づけたであろう。 
 
右図はこの問題の,cos72°の図形的表現。 
sin72°も,省略しているが以下のように図形的表現できる。 
      1 
 α−----=2sin72°として,虚軸上に平行四辺形を作る。 
     α 
 
【解】
(1)左辺を展開して、右辺と同じになることを計算すればよい(楽勝!略)
(2) α=cos72゜+isin72゜
                             1                          1
   =cos(360゜×--- )+isin(360゜×--- ) 
                             5                          5
                                           
                                                                                      ---
      =(cos360゜+isin360゜)
           
                      ---
    =1    
 両辺を5乗して
  α=1となり、αはx=1の解である。
 ここで(1)の結果より
  α−1=0は
  (α−1)(α+α+α+α+1)=0 α≠1より
          α+α+α+α+1=0である。 
  つまりαは、x+x+x+x+1=0の解である。

 また、
          1                        1
        ----=------------------------
         α           cos72゜+isin72゜

                               1            ×(cos72゜−isin72゜)
            =-------------------------------------
                  (cos72゜+isin72゜)×(cos72゜−isin72゜)

                    cos72゜−isin72゜
            =------------------------
                   cos72゜+sin72゜

             =cos72゜−isin72゜         ←これはまだ極形式とは言えない。
      =cos(−72゜)+isin(−72゜)    ←この形まで。問題の(72°)はこれを連想させたかったのか?

(3)x+x+x+x+1=0・・・・・@ の両辺をxで割ると、
                       1        1
   x+x+1+----+-----=0
                       x         x
                   1                 1
 (x+2+-----)+(x+----)−1=0
                   x                x
           1                 1
 (x+----)+(x+----)−1=0
           x                  x               @の解が、αだから、
             1                   1
  (α+----)+(α+----)−1=0
            α                  α      
よって
   β+β−1=0
つまり、βはx+x−1=0・・・・・Aの解である。

ここで、             1
        β=α+----  は、(2)より
                       α
          =(cos72゜+isin72゜)+(cos72゜−isin72゜)
     =2cos72゜>0
また、Aを解くと
      −1±浮T                                 浮T−1
 x=----------- β>0より β=----------
             2                                          2
従って、                浮T−1                                     浮T−1
        2cos72゜=----------    ゆえに、cos72゜=----------
                               2                                               4
また、
 0<sin72゜<1だから、
 sin72゜=1−cos72゜
                          浮T−1   
           =1−(---------)
                              4
                10+2浮T
           =---------------
                      4