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数学の公式を証明させる入試問題【大学受験・数学・入試問題】

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こんにちは! 武田塾調布校です!

皆さんは実際に出題される数学の入試問題がどのようなものか見たことありますか?

「志望校は決まっているけど過去問を解くのはまだ早いかな 」「入試問題って何を聞いてくるかわからない 」
と言う人は結構たくさんいらっしゃると思います。確かに、入試数学はどんな内容であるかは未知数で、学習を始めた段階では見るのが億劫に感じると思います。
 
 しかし、数学の入試問題は確かに難しい問題であったり、時間的な制約が厳しい問題、計算が大変な問題など多種多様ですが、「公式を証明させる入試問題」というのが難関大を始め様々な大学で出題歴があります。公式は少なくとも一度学校の授業で触れている分その証明過程を理解していれば、実際に「公式を証明させる入試問題」が出題された時に他の公式暗記だけしている受験生に大きなアドバンテージとなりえます!

今回は公式の証明を出題した大学とその内容について紹介し、日々の勉強でいかに原理を理解することが点数に直結するのかを理解していただければと思います!

ただし、本稿は旧課程の学習指導要領に準じており、一部現行と異なる可能性がありますのでご了承ください。

数学Ⅰ

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数学Ⅰの内容は数と式、集合と論理、二次関数、図形と計量、データの分析などが範囲です。
入試問題として公式の証明が出題されるのは図形と計量が中心となっています。

正弦定理を述べ、それを証明せよ。
[2008年 順天堂大学 医学部]

順天堂大学医学部からの出題です。この証明問題は前問に「円周角と中心角の定義を書きその関係を述べよ」という中学範囲の数学からの出題があったのが特徴的でした。シンプルな問題文ながら、正弦定理という普段馴染みのある公式でもその証明をさせるというと盲点を突かれるような問題だと思います。
同様に、余弦定理からも
 
余弦定理を述べ、それを証明せよ
[2007年 前期 京都教育大学]

という出題があります。余弦定理の証明は青チャートや基礎問題精講などの網羅系参考書で紹介されているので、しっかり学習できている人はどこかで見たことあると思います。
有名な解き方ですとベクトルを使ったり、座標に帰着させたり、図形的に処理する方法などがあると思います。重要なのは証明できる手段を数多く持ち合わせることで、特に図形問題を、文字が少なくなるように座標に置き換えることは、証明問題以外でも重要な解法になってきます。
 

数学Ⅱ


数学2の単元としては方程式・式と証明、図形と方程式、角関数、指数数関数、微積分が範囲となっています。公式証明入試問題としては図形と方程式、角関数の問題からの出題が多いです。ま相加相乗平均の公式から、

(1)0以上2αβして、相加平均αβ2相乗平均αβ以上であるを証明せよ
(2)a1,a2,a3,a4が正の数であるとき、a1+a2+a3+a444a1a2a3a4つことを証明せよ
[(1)2009年 重大学、(2)1964 京都大学]

重大学と京都大学の入試問題で相加相乗平均の証明問題が出題されました。実は相加相乗平均n個の変数においても成立します。つまり、自然においてa1>0,a2>0,...an>0とするときa1+a2++an
nn
a1a2...an
成立する(等号成立a1a2...an)
という関係があります。
これら2つの入試問題はn=2,4のときということです。この一式の証明方法としては数学的帰法と分法を合させて証明できます。
いて角関数に関しては、京大学より、

(1) θしてsinθ,cosθの定義を述べよ
(2) (1)で述べた定義に基き、一角にしてαβして
sin(α+β)=sinαcosβ+cosβsinα
cos(α+β)=cosαcosβ+sinαsinβ
を証明せよ。
[1990年 京大学]

という入試問題が出題されたことがあります。これは伝説の入試問題と言われるど、時の大学入試衝撃らせるものでした。法定理は語呂合わせで暗記している人が多く、その証明をさせる入試問題はまさに盲点だと言えるでしう。
 
しかし、ベクトルいるとものの数分で証明できます。教書に書かれている事項がいかに重要かわかる問です。

他にも、角関数からは多くの出題があり、

正弦、余弦の法定理をいることにより、次をせ、ただしα0β0αβπ2とする。
tan(αB)=tanα+tanβ
1tanαtanB
[2020年 お水女子]

cos2θcos3θcosθの式としてせ。
[2023年 京都大学]

角関数の法定理またはド・ルの公式をいて任意の角度θして次の式を証明せよ
sin3θ=3sinθ+4sin3θ
cos3θ=4cos3θ3cosθ
[2005年 本大学]

角関数の法定理をいて次の公式を証明せよ
sin+cos=2sinα+β
2cosαβ
2
cosα+cosβ=2cosα+β
2cosαβ
2
[1987年 鳥取大学、1969年 京都大学]

m,n自然数とする角関数の法定理をいて、
sinmxsinnx=1
2cos(mn)xcos(m+n)x
つことをし、さらに次のIm,nめよ。
Im,n=π
π
sinmxsinnxdx
[1978年 京都大学]

定数a,bに関してa2+b20たし、asinθ+bcosθされる時、
asinθ+bcosθa2+b2sin(θ+α)
(cosα=a
a2+b2sinαb
a2+b2)の形に変形できることを証明せよ。
[2011年 佐賀大学]
 
ほぼすべての公式にし、入試での出題歴があります。角関数の公式は暗記ではなく、法定理からそので導けることで暗記量をらすことが可能です。に、「なぜ成つか」をベーにした学習をしていきましう!
 
また、図形と方程式からは大大学より、

xy平面において、点(x0,y0)と直ax+by+c=0距離d
d=[ax0+by0+c]
a2+b2
である。これを証明せよ。
[2013年 大大学]

という出題があります。複雑な公式ですので、原理をしっかり復唱できる人は少ないのではないでしうか?教では移動使して証明していましたが、ベクトルをいると比較的容に証明が可能です。ただ、角関数とは異なり、試験中に証明することは大変なので、原理を理解出たら基本的には大丈夫です。

微積分からは平均化率から分の定義を問う問題もあり、ンター試験2015でも分の定義式から分係数をめる問題の出題歴がありましたが、

次の式を証明せよ。
(1) α
β
(xα)(xβ)dx=1
6(βα)3
(2) α
β
(xα)2(xβ)dx=1
12(βα)4
(3) α
β
(xα)2(xβ)2dx=1
30(βα)5
     [(1)2007年 岡山大学、(2)2006年 本大学、(3)1989年 九州大学]

1/6公式の証明が出題されています。どれも暗記になりがちな公式ですよ
特に理系難関大受験生は1/6公式の一般化として「β関数の分公式」に関する問題が出題される可能性があります。ぜひ一度目をしてみてください!
 

数学B


数学Bは数とベクトルが出題されることが多いです。どの分手な人が多いと思いますが、公式の暗記になっていないでしうか?ま平面ベクトルから、

AB=pAC=qとするとき、ABC面積
1
2|p|2|q|2(pq)2
しいことをせ。また、AB(x1,y1)AC(x2,y2)とすると、ABCは同時に、
1

2|x1y2x2y1|
たすことを証明せよ。
[半:2000年 九州大学 後半:2008年 和歌山県立大学]

ベクトルをいた角の面積める公式です。この公式は数学1で学習したいた角形の面積の公式から証明できますが、数1の方の証明もできるようにならなくてはなりません。
いてベクトルのパラメータ記に関して、

(1) 平面内で3G,P,Qが同一直線上にあるための条件を述べよ。
(2) 間内で4G,P,Q,Rが同一平面上にあるための条件を述べよ。
[1997年 九州大学]

入試問題でベクトルの問題を解くときには基本的な事項であっても、暗記しているが多いと思います。
また、数に関しては特に 公式からの出題が多いです。
 

(1) 式 k=1
n
k=n(n+1)
2を証明せよ。
(2) 12+22+...+n2nに関する多式で記せ。また証明も記せ。
(3) 13+23+...+n3 nに関する多式で記せ。また証明も記せ。
[(1)2006年 佐賀大学、(2)~(3)2010年 九州大学]

(1)初項a,d等差[an]に関して、
a1+a2+...+an=n(2a+(n1)d)
2
となるを証明せよ。
(2)(i)n自然数とする。この時、
1xn=(1x)(1+x+...+xn1)
つことを数学的帰法をいて証明せよ。
(ii)初項a,r等比[an]に関して、n=1,2,3...
a1+a2+...+an={na(r=1のとき)
a(1rn)
1r(r1のとき)
となることを証明せよ。
   [2009年 佐賀大学]
 
2009年の佐賀大学()(i)では数学的帰法による式の証明方法が指定されています。

離散的な式の証明に置いて、自然n を見たらとりあえ数学的帰法を試してみまう。式変形を行うことで証明する数学的帰法は機械的な処理で結することが多く証明の手順として破壊力があります。今回証明した問題にぜひ網羅系参考書で数学的帰法をいた証明を習してください!
 

まとめ


いかがでしうか?予想以上に公式を証明させる入試問題が出題されていることが分かりました
こういった問題にしては、単純な一夜漬けでは処することができません
日々の数学の学習の中で、「なそうなるのか」意識しながら勉強することによって始めて獲得できます。また、今回紹介した問題の出は難関大が数多く占めています。

もし、1つでも志望大学からの出題があったら、過去問をじて傾向把握を確かなしていきましう。
今回の記して、これを見てくださった受験生の今の勉強の指となっていただけると幸いです。

 

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