(97 東京大学 前期)

a、bを正の数とし、xy平面の2点A(a,0)およびB(0,b)を
頂点とする正3角形をABCとする。
ただし、Cは第1象限の点とする。
(1)3角形ABCが正方形D={(x,y)|0≦x≦1,0≦y≦1}
 に含まれるような(a,b)の範囲を求めよ。
(2)(a,b)が(1)の範囲を動くとき、3角形ABCの面積Sが最大と
 なるような(a,b)を求めよ。
 また、そのときのSの値を求めよ。

(解)
(1)
 
  OC=OB+(BAの60゜回転) だから
 複素数平面上でAに対応する点が、a
                        B  〃           bi
                        C    〃       は、
  bi+(a−bi)(cos60゜+isin60゜)

       1       浮R       浮R      
 =---a+----b+(----a+----)
       2        2          2        

 よって、3角形がDに含まれるための条件は、3頂点がDに含まれる
 ことであり、
  a>0、b>0(条件)、a≦1、b≦1
      1       浮R         浮R      
  ---a+----b≦1、 ----a+----b≦1 
      2                    2         2
   つまり、
                  1          2
        b≦−----a+----    と、   b≦−√3a+2    が成り立つときである。
                √3       √3

 ゆえに、求める(a,b)の範囲は、下図の部分である。

(2)
         浮R          浮R
 S=----AB----(+b)
          4            
 ここで、a+bは、Oと(a,b)との距離の2乗であるから、
 Sを最大にする(a,b)は上図の3つの丸のうちのどれかである。
実際に求めてみると、(2−浮R)+1=8−4浮R
           (浮R−1)(浮R−1)=8−4浮R
 だから、3つともSを最大にする。
 よって求める(a,b)は3つあって、
  (2−浮R,1)(浮R−1,浮R−1)(1,2−浮R)
 であり、最大のSは浮R(2−浮R)=2浮R−3