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問題156 星座の問題
Weekend Mathematics問題/問題156 星座の問題

問題156 星座の問題

午後6時30分、北の空に北極星Nと直角二等辺三角形の形になる星A、B、Cが 図のように見えました。
(Nの左にB、Bの上にC、Cの左にAで、NB=BC=CA)。
何時間か後に星Aと星Bが同時に地平線に沈みました。そのあと星Cが沈みました。 星Cが沈んだ時刻を求めてください。 ただし、星A、B、Cは北極星の周りを24時間かけて反時計周りに1周します。 また、地平線は水平な直線とします。



問題の出典

算数オリンピックに挑戦
算数オリンピック委員会編
講談社ブルーバックス
2005年ファイナル問題
(出題:河野秀樹)

答えと解説

解答・その1

(ペンネ−ム:バルタン星人)

答え
午後11時30分

考え方:ABNCは平行四辺形で、ABが地平線に来るには45度回転する。
また、Nから地平線に下ろした垂線の足をHとすると
  NC=2NH
故にCが地平線に来るときは、正弦が1/2となる30度さらに動くことになる。
1時間に15度ずつ回転するので(45+30)/15=5時間後


解答・その2

(ペンネ−ム:スモークマン)

今回の問題は...AB が同時に水平線に没するときの図を描いてみたら...
C が水平線に移動するまでの角度は...NC=√2 : 水平線までの高さ=√2/2 となるので...
角度にすると 30°なので...
AB が水平になるまで 45°と加えて...
24*((30+45)/360)=2+3=5
6:30+5:00=11:30 pm
になりますね ♪


解答・その3

(ペンネ−ム:迷子の雄猫)


星Aと星Bが同時に地平線に沈んだときの星Cの位置をD
星Cが地平線に沈んだときの星Cの位置をEとおく。
星Aと星Bが同時に地平線に沈んだとき
直線ABが水平なので、直線NDも水平になる。
このときの回転角度は45度。

NB=BC=CAの長さを1と置くと
三角形ABC、三角形NBC、の面積が1/2なので、
三角形DNEは、面積が1/2、斜辺が√2
斜辺に垂線を下ろしたとき、その垂線の長さは1/(√2)
斜辺:垂線の長さの比が2:1の直角三角形の角度は、
90度、60度、30度、であるので、角DNEは30度。

よって、以上より、星Cが地平線に沈んだときの回転角度は75度。
一日で360度回転する星が75度回転するのに必要な時間は、
24時間*75度/360度=5時間。
午後6時30分より5時間経過した時刻は午後11時30分。

答:午後11時30分


解答・その4

(ペンネ−ム:AND)

答え:11時30分

(初期状態から分かること)
N・A・B・Cは定義より、平行四辺形になっており、NB=BC=CAの長さを1と すると、ピタゴラスの定理からN−A=√5、N−C=√2 となり、また、 平行線N−CとA−Bの間の距離は、√2÷2となります。 また、初期状態(6時30分)時点の水平線と線分N−Cとの角度は、定義 (NB=BC)より45度となります。

(星A・Bが同時に水平線に沈んだことから分かること)
ここで、まずAとBは同時に水平線に沈んだのですから、そのときは北極星Nと 星Cは水平線と平行になっていることになります。 このことから水平線と 北極星の間の距離は、√2÷2となります。

(星Cが水平線に沈む時刻を想定して分かること)
いま、星Cが水平線に沈んだ状態を考えると北極星Nと星Cの間の距離は、 √2であり、星Cと水平線の距離は√2÷2となりますから、星Cが水平線に 沈んだ時点での線分N−Cと水平線の角度は、Sin(X)=1/2から30度と なります。

(これまで、分かったことを整理すると)
以上より、求める答えは、6時30分より、75度/360度角度が回転した 時刻を求めればよいことになります。
75度は(1時間=15度より)5時間ですから、求める星Cが水平線に沈んだ 時刻は、11時30分となります。



解答・その5

(ペンネ−ム:マオ)

解答:午後11時30分

AC=BN,AC//BNより□ABNCは平行四辺形。
BN=1 とすると、CN=√2 , AN=√5となる。

A,Bが地平線に沈むときのA,B,C位置をA',B',C'
Cが地平線に沈むときの位置をC"とする。



ABが地平線に重なるとき、C'N//A'B'より、
点BはC'N上にある。
点Nから地平線に垂線を下ろし、交点をHとすると、
△NHB'は直角二等辺三角形で、NB'=1 より NH=√2/2
NC"=√2より、△NC"Hは 1:2:√3の直角三角形となり、
∠C"NH=60°となる。
よって∠CNC"=∠CNC'+∠C'NH-∠C"NH
=(45+90-60)°
=75°
点Cが地平線に沈むまでにかかる時間は
  24×75÷360=5
これより、点Cが地平線に沈む時刻は
5時間後の 午後11時30分


解答・その6

(ペンネ−ム:再出発)

星A、Bは地平線に辿り着くまでにNを中心に∠BNC=45゜だけ回転します。
つぎに、線分AB上にCN=DNとなるように点Dをとると
∠DNC=30゜となり、
(∵ 点Dから線分NCに垂線DEを下ろすとDE:DN=1:2)
点CがNを中心に線分ABに辿り着くまでに30゜だけ回転します。
したがって、午後6時30分から星たちは 北極星を中心に75゜だけ回転したように見えます。
それに要した時間は
24×75÷360=5 時間です。
このことから星Cが沈んだ時間は午後11時30分であることが分かります。


解答・その7

(ペンネ−ム:三角定規)

「星Aと星Bが同時に地平線に沈んだ」 とき, 線分 NB は反時計回りに 45゜ 回転して図のようになった。



線分 NC がさらにθ回転し星Cが沈むとき,図のように,∠CNC'=∠NC'D で
  sin∠NC'D=ND/NC'=1/2
だから,θ=30゜

星々は,北極星Nの回りを1時間に 15゜回転するから,45゜+30゜ 回転するのは 5 時間後。
よって,星Cが地平線に沈むのは,午後11時30分。…[答]


解答・その8

(ペンネ−ム:namiusagi)

星Aと星Bが同時に地平線に沈んだので、図のA',C',B',Nの様になる。この時45°回転したことになる。
ここから図のA'',C'',B'',Nの様になった時が星C(C'')が沈んだ時である。
図の角αは30°だから、β=30°、γ=15°、δ=30°で午後6時30分から75°回転したことになる。
24時間で一周(360°)するので
   (75/360)*24=5
∴午後11時30分



解答・その9

(ペンネ−ム:杖のおじさん)

答 午後11時30分です。

A,Bの星が地平線に沈むのは45°回転した時である。
従って 一時間の回転角度は (360°)/24=15°なので (45°)/(15°)=3 時間 後となる。
下の図はA,Bの星が地平線に沈んだ時のC星の位置です。
NE=CD 長さをXとする。
AC=CB=BN 長さをYとする。
NC=NF 長さをZとする。
∠CNF=∠NFE は錯角で同じ角度です。



X=1としてYを求めるとY=√2
Z=√(Y2+Y2 )=2となります。
∠NFEを求めます。
SINθ=X/Z=1/2=0.5
従って角度は30°になります。
時間は 30°/15°=2 時間後となる。
C星が地平線に沈むのは、午後6時30分+3時間+2時間=午後11時30分 となります。


解答・その10

(ペンネ−ム:やなせ)

星間距離N,B=B,C=C,Aと 星間を結んだ線、N,BとB,C直交する
又B,CとC,Aも直交する
線N,BとC,Aは地平線と平行になる
現在の時間は午後6時半
24時間で1周する
少しは解りやすいかと思って北極星Nを中心に円を描いてみた
与えられた条件から地平線から北極星Nの高さは星N,C間の半分になります。
図ではA’、B’、C’の時が星A,Bが同時に地平線に沈む時です。
求めるのはCが地平線に沈む時間ですから沈むときの星Cの地点をC”とすれば
∠C,N,C”の角度Wが解れば
Cが沈むまでの経過時間が解ります。
∠B,N,Cは45°なので残りの∠Xがいくらかですが
NからC”に線を引くと平行線に交わる線分がなんたらかんたらの定理で
∠Y=∠X
Nから地平線に直交する線を引き交わるところをDとすると
線分D,C”=N、D×2
∠N,D,C”直角なので誰かさんの三角形の定理から
∠X=30°=∠Yが解ります。
これから
∠W=45°+30°になる
24時間で1周するので
24×75÷360=5(時間)
午後6時30分+5時間=午後11時30分

答え
午後11時半


解答・その11

(ペンネ−ム:オヤジ)

とすると となる
先ず、A,Bが地平線に同時に沈む状況を考える。
角速度は、
ACと地平線, またBNと地平線のなす角度は, であり、
角速度を考えると、午後6時30分の45÷15=3時間後の 午後9時30分
この時 北極星から地平線におろした垂線の足をHとすると長さ    
次に, Cが地平線に沈む状況を考えると    三角形NCHを考えると  NH:CN:CH=1:2:
従って ∠NCH= 従って ∠NCB=
角速度を考えると 午後6時30分の 75÷15=5時間後の 午後11時30分 

∴ 午後 11時30分


解答・その12

(ペンネ−ム:のっこん)


星Aが地平線に沈む時にそれが占める位置をP、 星Bが地平線に沈む時にそれが占める位置をQ、 星Cが地平線に沈む時にそれが占める位置をRとする。
P、Q、Rは水平な直線上にある

NB=BC=CA=1 とし
N(0、0)、A(−2、1)、B(−1,0)、C(−1、1)とする
Bの軌跡は x2+y2=1・・・(1)
Cの軌跡は x2+y2=2・・・(2)である

△NAB≡△NPQ、∠ABN=135°だから
NQの方程式は y=x・・・(3)

(3)を(1)に代入して Q(−1/√2、−1/√2)
よってRのy座標は−1/√2

y=−1/√2 を(2)に代入して
Rのx座標は−√3/√2
NBの延長にRから垂線を下し、その足をHとすると
RH:HN:NR=1:√3:2
よって∠BNR=30°

∠CNR=∠CNB+∠BNR=45°+30°=75°

15°の回転で1時間だから
75°の回転では5時間
Cが沈むのは5時間後の午後11時30分


解答・その13

(ペンネ−ム:haya)

点 C が水平線に没する時刻は 11時30分 です。

【解き方】
点 N を中心に回転して A, B 点が同じ高さに並ぶには、線分 AB の延長線と水平線のなす角度、 つまり 45°回転する必要がある、このための時間は

  24 x 45 / 360 = 3 (H)

ここから点 C が水平線に没するには、N を中心として半径 CN の円弧を描いた時に線分 AB と交わる点を D として、 θ = ∠CND だけ更に回転させる必要がある。
出題の図で、N を原点とする直交座標を考え、B の座標を (-1,0)、C を (-1,1)ととる。


従って回転に必要な時間は、

  3 + 2 = 5 (H)

時刻の初期値は 6:30 であるから、点 C が水平線に没する時刻は

  11:30

となる。


解答・その14

(ペンネ−ム:こたつ)

Nを中心に24時間で360°回転することから1時間で15°= π/12回転する
BNの距離を1として、Nを座標の中心とみると
星Cの座標は(Xc , √2sin(3π/4 + tπ/12) )となる。

※tはP.M6:30からの時間(単位は「時間」)
線分ABと線分CNは平行であることから星A,Bが地平線に着いた時、星C,Nも地平線と平行に横に並んでいる状態
そして、この時星Cの地平線からの高さは√2/2である。
よって星Cが沈む時はCの座標が(Xc1 , -√2/2) となる
√2sin(3π/4 + tπ/12) = -√2/2 を満たすtは
Sin(3π/4 + tπ/12) = -1/2 → 3π/4 + tπ/12 =7π/6
よって t = 5
星CはP.M6:30から5時間後に沈む
答えは午後11時30分


解答・その15

(ペンネ−ム:シュレーディンガーの三毛猫)

<方針> 星A、Bが沈む瞬間の状態から地平線とN、Cとの関係を示し、 星NおよびCを結ぶ線分の挙動を、Nを中心とする単位円から考察する。

<解答>


午後6時30分を初期時刻とする。掲題の図より、初期時刻においてACとBNは平行で、 また地平線とそれぞれ平行であると解釈する。 NB=BC=CA、かつ∠NCBは直角なので、三角形NBCと三角形ABCは互いに合同である。 よって、ABNCは平行四辺形である。
題意より、星Nからみた星A、B、Cの相対的な位置関係は変わらないので、 星A、Bが沈むとき、即ちABが地平線と接するとき、CNは地平線と平行となる。
ここで、CN=AB=1とおく。このとき、三角形ABCと三角形NBCは合同な直角二等辺三角形なので、
  AC=CB=BN=1/√2
Nから地平線に下ろした垂線と地平線との交点をP、 同様にCから地平線に下ろした垂線と地平線との交点をHとおく。
三角形ACHと三角形BCHは合同であり(∵斜辺と1鋭角がそれぞれ等しい)、 それぞれ直角二等辺三角形となる。
また、ACとBNは互いに平行四辺形の対辺なので、
  AC=BN、AC//BN、∠CAH=∠NBP。
よって、三角形ACHは三角形BNPとも合同である(∵斜辺と1鋭角がそれぞれ等しい)。
さて、三角形ACHと三角形BCHは合同な直角二等辺三角形なので、 三角形ABCにおいてHは線分ABを二等分し、かつその長さはCHとも等しい。
AB=1とおいたのであるから、AH=HB=CH=1/2
三角形ACHは三角形BNPとも合同なので、CH=NP=1/2
従って、星Nは地平線から1/2の高さにあることがわかる。

ここで、星Nを中心とする単位円(真東からの反時計回りを角度の正とする)をとると、これは星Cの軌跡となり、 地平線はy=-1/2の直線で表せる。 星A、Bが沈むときのNCの角度はπ、NBの角度はπ+π/4となる。
初期時刻でのNBの角度はπなので、初期時刻からA、Bが沈むまでに A、B、Cが移動した角度はそれぞれπ/4である。 ここから、初期時刻でのNCの角度は
  π-π/4=3π/4 ・・・(1)
と求まる。 一方、Cが沈んだときは、Cのy座標が-1/2となる。 即ち、このときのNCの角度θとおいたとき、sinθ=-1/2、これを第3象限の角として解いて、
  θ=7π/6 ・・・(2)
初期時刻からCが沈むまでに移動した角度は、
  (2)-(1)=5π/12 ・・・(3)
と求まった。 さて、時間の変化量を冲、角度の変化量を刄ニとおくと、星Cは24時間でNの周りを一周することから、
  刄ニ=2π冲/24 ;(冲の単位は"時間")
という関係式が得られる。ここに刄ニ=(3)=5π/12を代入して冲について解くと、
  冲=5(時間)
初期時刻が午後6時30分だったので、星Cが沈む時刻は午後11時30分。


解答・その16

(ペンネ−ム:藍の空)

Nは北極星であるから、不動であるとする。
状態Tにおいて、Nから地平線に引いた垂線を点Oとする(この点も不動である)。
直線BCについてNと対称な点をN’とする。
また、AC=CB=BN=N’B=a とする。
  AC=NB ,∠ACB=∠NBC=90°(…(1)),BCは一致
この3点より △ABC≡△NCB
  ∴ AB=NC
また、△ABCは二等辺三角形であり、(1)より
  ∠CAB=∠CBA=45°
  ∴ AB=√2 a(=NC)



状態Tで、N’はAの真下に位置するので、   N’BA=45° となるので、直線ABと水平線とは45°の角度をなしている。
n時間後にAとBが同時に水平線に沈むとき、ABは水平線と平行(一致)であるから、 n時間の間に45°A,Bは移動したと分かる。
ところで、24時間で一周(360°回転)するということは1時間で15°回転するということである。
よって、n*15=45  ∴n=3 (9時30分に沈んだ)…(2)
なお、AB=CN , AC=BNより四角形ABNCは平行四辺形であるから ABが水平線と平行であるとき、CNも水平線と平行である。



次に、図について考える(ただし、Cの位置は状態Uと同じであり、横線は地平線である)。



星Cがm時間後に地平線に沈むとき、その位置はC’であるから、∠NC’O=θ とすると
  sinθ = C’N/NO
C’Nは半径であるから sinθ = (a/√2) /√2 a = 1/2
  ∴ θ=30°
CN//C’O であるから錯角より ∠CNC’=∠NC’O=30°
よって、星Cは30°回転したとき地平線に沈む。
よって m*15=30  ∴m=2 (二時間後に沈む)…B
(2),(3)より 午後6時30分から5時間後に星Cは地平線に沈むので
星Cの沈んだ時刻は、 午後11時30分 である //



解答・その17

(ペンネ−ム:巷の夢)

* BとCを逆にして考えてください。

題意よりAB=BC=CN=1とすると、下記の図が描ける。



今、A、C各々の地平線に沈んだ位置をA’,C’とし、∠A‘をα、∠C’NN’をβとすると、 ∠NC’N’はα+βとなる。
これはCが沈むまでに動いた角度であるから、同時刻に沈んだAについての移動角ANN’もα+βとなる。
又、△NC’A’と△NABは合同である。(∵AN=NA’、AB=NC’、∠NAB=∠A’NC’より二辺挟角が等しい)
即ち∠ANB=αとなる。これより∠BNC=45°=α+βとなる。
因って、AとCは午後6時30分から3時間後(15°で1時間)に沈んだことになる。
次にBについて考えると、午後9時30分の位置はCである。
このBの沈んだ位置をB’とすると NB’=√2、又NN’=1/√2=√2/2であるから、NB’: NN’=2:1の直角三角形。
因って4、△NB’N’において∠B’=30°である事が分かる。
30°は2時間であるのでBはA,Cより2時間遅れて沈んだことになる。
即ち、求めるものは午後11時30分である。


解答・その18

(ペンネ−ム:falcon@中学教師)

午後11時30分

<考え方>
△NCBはNB=BC=CA 、∠ACB=∠NBC=90°より、△ABCと合同な直角二等辺三角形とわかる。
Nより地平線に垂線NDを下ろすと、星Aと星Bが同時に地平線に沈むとき、星の位置関係は図1のようになる。



∠CNB=45°なので、辺NBに注目すると図1は午後6時30分の図より45°回転した図とわかる。
辺NDの長さを とおくと、△NBD、△NCBは直角二等辺三角形であるので、NB=√2 x、NC=2x となる。
さらに星Cが地平線に沈むとき、Cの上方に∠NEC=90°となるようにEをとると、星の位置関係は図2のようになる。



このとき、EC=ND= であるので、 となる。
よって、EC:NC:EN=1:2:√3 となるので、∠ENC=30°とわかる。
したがって、辺NCに注目すると図2は図1より30°回転した図であるので、午後6時30分より75°回転した図ということになる。
星は24時間かけて1周するので75°回転するためには、24×75÷360=5時間の経過が必要。
したがって、星Cが沈んだ時間は、午後6時30分より5時間後の午後11時30分。


解答・その19

(ペンネ−ム:転位反応)

星Cと星Nを結んでできる四角形ABNCは平行四辺形であり、 星A,Bが同時に地平線に沈む時の図は下記の通り。


星座は24時間かけて1周するので、
  360°/24時間=15°/時間
星A,Bが同時に地平線に沈むのは、∠B'NC'=45°なので
  45°/15°=3時間後

星Cが地平線に沈んだときの図は下記の通り。
C'、Nから地平線へ下ろした垂線との交点をそれぞれP、Qとする。


C'N=C''N (Nを中心とする回転円の半径なので)
  NQ=C'P (△A'C'P≡△B'NQなので)
  C'P=1/2A'B'=1/2C'N
 ∴NQ=1/2C''N 
よって、△C''NQは、∠C''NQ=60°、∠NC''Q=30°の直角三角形
 ∴∠C'NC''=30°
  30°/15°=2時間
よって、星Cが沈むのは3+2=5 時間後の午後11時30分


解答・その20

(ペンネ−ム:夜ふかしのつらいおじさん)

△ABCは直角二等辺三角形です。
星A、Bが地平線に沈むときの様子をA'、B'であらわします。
このとき△ABC、△A'B'C'、△CBN、△C'B'Nはみな合同です。
だから、∠BNC=45°です。

星Cが水平線に沈むときの様子をC''であらわします。
Nから水平線に下ろした垂線の足をHとします。
直角三角形NC''Hにおいて、NHの長さを1(直角二等辺三角形ABCの斜辺の半分)とすると、
斜辺のNC''は2(直角二等辺三角形の斜辺)になります。
すると、ピタゴラスの定理より、C''Hの長さは  になります。
つまり、∠NC''H=30°です。(1:2:の直角三角形)
よって、∠BNC''=30°です。(平行線の錯覚)
以上から、∠CNC''=75°です。
星は24時間かけて360°回るので、  時間経過しています。
よって、時刻は午後11時30分です。





正解者

falcon@中学教師 スモークマン 藍の空
namiusagi 再出発
のっこん
シュレーディンガーの三毛猫 巷の夢 haya
夜ふかしのつらいおじさん AND 杖のおじさん
オヤジ やなせ 迷子の雄猫
マオ 転位反応 こたつ
三角定規 バルタン星人

コメント

星Cが水平線に沈むまでには、北極星Nを中心に75°回転する必要があり、 これには5時間かかりますので、11時30分となります。
地球は、約24時間をかけて自転していますので、1時間あたり15°の回転ということになります。
(時差もこれに応じて生じますから、経度15°に対して、時差は1時間ですね。)
最近は夜空を見上げることも少なくなりましたが、冬の空は澄んでいて星が見やすい ので、たまには星の観察もいいですね。


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