数学とクイズでくつろいで数学の部屋「コマ大数学科」に挑む「コマ大数学科」に挑む・10年2月

「コマ大数学科」に挑む・10年2月

最終更新日2009年3月2日

フジテレビで深夜に放送されている「コマ大数学科」の問題に解く様子をご紹介します。数学をやってきたので簡単に解ける…と思ったものの…その奮闘振りをお楽しみに。なお、福岡での放送は二週間遅い模様です。そこら辺はご勘弁を。

「オクタゴン(2/3)」
「北大に挑戦(2/10)」
「北大に挑戦 Part 2(2/17)」
「北大に挑戦 Part 3(2/24)」

ご意見がありましたらtfujisaki2006@yahoo.co.jpまでお願いします。


「オクタゴン(2/3)」

 今回は成人式、ということで東大生チーム山田さんが晴れ着姿で登場。チームメイトの木村さん曰く「4年前の私もこんな感じだったのに…」ということは今の年齢は…と考えなくても大学を出て2年目なら年齢は分かるはず。そんなことはともかく今回の問題。

問題:1辺の長さが1の正八角形の周上を3点P,Q,Rが動くとき三角形 PQRの面積の最大値を求めよ。

ん〜〜シンプル。

今回は東京工業大学の入試問題からの出題。シンプルがゆえに奥が深そうな問題である。

 まずはコマ大の検証。今回は正八角形の問題ですので、正八角形のものを使って検証を行った。正八角形の物って何かあったっけ?実は建造物には上から見ると正八角形の形をしているものが数多くある。コマ大でも何回かお世話になった「Google Map」でそれらの建物の画像を印刷。建物の周上に3点を選び三角形の形に切り取り重さを量る。面積を重さで決める。コマ大の真髄(?)である。

 とりあえずと適当に切り重さを量ったダンカン部長。この重さを超える三角形探し出そうとするが見つからない。諦めかけたそのとき、記録更新を達成。その主は「お宮の松」。さてコマ大チームは「お宮の松チャンス」で久々のコマ大フィールズ賞を手にできるか?

 私も紙の上であれやこれや考えたがどうしてもこの形が大きいようである。


この形が最大の面積?

 とりあえず面積を出しておこう、ということで計算をしてみた。


しかしもう少し面積の大きい三角形は無いのだろうか、と考えるまもなく時間終了となった。

 いち早く答えを書いた東大生チーム。晴れ着姿を披露した山田さんに対して「騙しがいのある」といかがわしいコメント。木村さんが成人式で思っていた「バラ色の人生」はこの番組で崩れたのだろうか…

 各組の解答はご覧の通り。

コマ大チーム 0.461g 検証の結果。上の三角形の頂点を
ちょっとずらした位置の三角形
マス・ポヌペア 2+√3 上の形を考えたが
計算で間違えた…みたい
東大生チーム (4+3√2)/4 上の形の三角形の面積を求めた

 コマ大は面積ではなく重さを出した。ホントに正しいんだろうか?

正解…(4+3√2)/4 東大生チーム正解!

 見事に正解を出した東大生。解説での面積の求め方も良かったのでこちらもご紹介。


 今回も文句なし東大生チームにコマ大フィールズ賞が渡った。私も答えは出していたが、実は他の三角形を考えていたら大きい面積を出してしまっていた。その間違いに気付くのに小一時間かかった。ホントに情けない…
(今回、解説では三角形の面積の計算が中心になっていましたが、この三角形が最大の面積を持つことも証明する必要があります。そのことについてはお世話になっています「ガスコン研究所」の書き込みをご覧ください。他力本願でごめんなさい)


数学とクイズでくつろいで数学の部屋「コマ大数学科」に挑む「コマ大数学科」に挑む・10年2月


「北大に挑戦(2/10)」

 以前の「東京六大学に挑戦」がさらにパワーアップ。ついに日本全国の大学に挑戦状を叩きつけることとなった。大学の入試問題にコマ大メンバーが挑む。その第1弾は北の大地の「北海道大学」栄えある問題はこちら。

問題:図のような碁盤の目状の道路があります。S地点を出発して道路上を東、または北に進んで、G地点に到達する経路を考えます。その経路のうち、A地点とB地点を共に通る経路は何通りあるでしょうか?

ごめんなさい。すぐ解いちゃいました。

 しかし肝心なのは解くまでの時間…

ごめんなさい。30秒ぐらいでした。

 「北海道」といえば北海道生まれで暴走族で北海道中を乗り回していた「バンビーノ小林」今回は生まれ故郷の北海道で…と思ったら、コマ大チームが訪れたのは北海道の名産などが出される居酒屋「北海道」ここで北大OB・OGの人に問題に挑む…と思ったら、登場したのはすっかりお馴染みになった東大奇術愛好会OBの鈴木太朗さん。 実は鈴木さんは北海道大学のOBで、その後東大の大学院に進んだ。これは北大チーム(と勝手に命名)は強いかも。

 3人の方に問題を解いていただいたところ次のような結果になりました。

北大OB植田さん 解くことができず時間切れ
北大OG杉山さん 51秒で正解を導いた。
北大OB鈴木さん 25秒で正解を導いた。

 「51秒」の秒殺で、勝負あった、と思われたときにしんがりの鈴木さんが「25秒」という驚異的な秒殺で答えを出した。鈴木さんは年末の「ベストカップル決定戦」に出場したときに東大生チーム岡本さんが好意を寄せていることを話していた。その後何か進展があったか、というと連絡先も分からず進展はまったくなし。今回の秒殺で連絡先を教えて欲しいとのこと…って

年末のスペシャル、福岡じゃなかったぞ!!

 今回の東大生チームはその岡本さんと小橋さんのペア。普段だったら「秒殺シスターズ」なのに、と疑問に思っていたら上のような流れがあったからでした。で、当の岡本さんの返事は「自分達の解答が遅かったら、連絡先を教える」とのこと。色々な意味で真剣勝負となった。

 前回の「東京六大学」の時と同様に、東大生チームとマス・ポヌペアは問題は事前に見ることはできなかった。しかし鈴木さんと負けず劣らずの速さを見せる東大生チーム。あっという間に答えを出した。今回はすっかり蚊帳の外となったマス・ポヌペア。マス北野は「問題も読み終えていないのに」と一言。しかし、問題を黙々と解く。この「大学に挑戦」シリーズに関して、マス北野は速く答えることにあえて挑まず、じっくり考えている様子である。

 各組の解答は以下の通り(今回コマ大チームの解答はお休み)

マス・ポヌペア70通り
東大生チーム

正解…70通り 全員正解!!

今回2組の解説も同じでしたので以降でまとめて解説します。

条件を満たすように進む道は

S→A、A→B、B→G

の3つに分けられる。

S→Aの道は図の様に2通りの進み方がある。A→B は1通りの進み方しかない。

 交差点の間の道のりを「1つ」と数えるとB→Gの道は7つ進み、 このうち4つは東に進み、3つは北に進む道である。
 7つの道のうち3つを北に進む道にする進み方は

7×6×5/3×2×1=35通り

以上からSからGに進む経路のうち、A,Bの2地点を通る 経路は

2×1×35=70通り

 さてさて、鈴木さんの恋の行方を決める解答までの時間はどうなったでしょうか?

マス・ポヌペア 2分23秒
東大生チーム 30秒

わずか5秒の差で鈴木さんが勝った。愛の力は強かったのか?とりあえず連絡先を交換して、その後は…若い者同士にお任せしましょう。今回のコマ大フィールズ賞は東大生チーム…あれ?一番早かったのは鈴木さんだからコマ大チーム(代理)がコマ大フィールズ賞じゃないの?…その前に

年末のスペシャル、見せてくれ!!


おまけ

 今回の問題の解説で、北大の入試で出題された別の問題が紹介された。これは上の問題を応用して解く問題である。

問題:同じ通路で図のAB間、CD間が工事のため通行できない。このときSからGまで行く経路は何通りあるでしょうか。

 今回の問題を利用すると

(全体の経路)
   −(ABを通る経路)
   −(CDを通る経路)
   +(AB、CDを共に通る経路)

によって計算できる。

一方、右の図のように各交差点について

(南からの経路)+(西からの経路)

を順次計算していく。ただし2ヶ所の工事区間は足し合わせない。 これにより答え(113通り)が求まる。


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「北大に挑戦 Part 2(2/17)」

 先週に引き続き、今週も北海道大学(北大)の入試問題を出題。どんな問題が出るのでしょうか。

問題:図のような三角錐の展開図がある。

AB = 4, AC = 3, BC = 5
∠ACD = 90 度

で三角形 ABE は正三角形である。
 このとき三角錐の体積を求めよ。

 「なるほど、なるほど…」をいつものように問題文と図を書いていく。しかし解き方は思いつかない。

 先週、北大OBの鈴木さんの活躍を見せ付けられたコマ大チーム。この勝ち運をもらって…と向かった先は都内のアイスバー。ここは床から天井、テーブルまですべて氷でできている。部屋の中の気温は氷点下。店の従業員でも1時間居ることが限度という場所で検証を始めた。

 検証方法は問題の展開図をボードで作り、実際に三角錐を作ってから体積を求める、といういたってシンプルな方法。しかし今回は氷点下の世界、手がかじかんで展開図を作ることができない。苦心して出来上がった三角錐。さて、どうやって体積を求めるのか?ここは氷点下の世界。三角錐の中に水を入れて氷にしてから体積を求めることに。 果たして正解を求めることができるのか?

 「今回はひらめくことができれば早いが」という竹内先生のコメント。そのひらめきが来たのか、東大生チーム「秒殺シスターズ」は二言三言話すと、答えをあっという間に書いた。

早!

 ここしばらくポヌさんにお株を奪われて閃きを出せないマス北野。もしかしたら問題の図を切り抜いて実際に三角錐を作るか、と思われたがポヌさんと一緒にコツコツと計算。どうやら考えはまとまっているようです。

 それにしても困った。

まったく分からない。

三角錐の体積だから「底面×高さ/3」で計算をする。底面の三角形はどうにか計算はできるが、問題は「高さ」…頭の中で三角錐を回転させてみた。

やっぱり分からない。

申し訳ないです。今回はギブアップです。各組の答えは以下の通りでした。

コマ大チーム 2.5 検証で作った氷を
水に浮かべて体積を計測
マス・ポヌペア 8√7/5 FからBCへの垂線が
高さとみて計算
東大生チーム 2√3 三角錐の頂点を作図
して計算

東大生の図を見た瞬間「やられた!」と思った。この作図で頂点の位置が分かるんだよな(詳しくは後ほど)

正解…2√3 東大生チーム正解!

 では上の東大生チームの図から高さ、そして体積をどのように求めるかご説明します。

三角形ABCを三角錐の底面として真上から見たとき、頂点D(E,F)の位置は 辺AC(AB,BC)への垂線の上にある。よって頂点の位置は東大生チームが 書いたように、2つの垂線の交点の位置にある。

 次に、この三角錐をABを手前にして真横から見ると、図のような形になる。 ABの中点をMとするとDとMの高さの差がこの三角錐の高さになる。ABCは正三角形であるため、

AM=4/2=2

図の真横からの視点では辺CDは横に平行にあるため、CDの長さは変わらない。つまり

CD^2=AD^2−AD^2=7 ⇒ CD=√7

よって

CM^2=CD^2−AM^2=3 ⇒ CM=√3

となるため、体積は

三角形ABC×CM/3=6×√3/3=2√3

 今回も正解を出した東大生チームにコマ大フィールズ賞が渡った。解説では上の解法と共に座標空間にA,B,Cの座標を決めて、三角錐の残り一つの点Dの座標を距離から計算して求めるという方法を紹介していました。

この方法は私はすぐに思いつきましたよ。

 やはり私は「閃き」よりか「こつこつ計算」で解く方が良いようです。


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「北大に挑戦 Part 3 (2/24)」

 先週、先々週に続いて、北海道大学の入試問題を出題。この番組北大と手を組んでいるのか、と思ったり思わなかったり…今回の問題はこちら

問題:半径1の円に内接する正六角形がxy平面上にある。1つの辺ABがx軸に含まれている状態から始めて図のようにx軸を転がり、再び点Aがx軸に含まれる状態まで続ける。

点Aの描く軌跡の長さを求めなさい。

コツコツと、とにかくコツコツと

先週答えを出せなかったことを反省して、しっかりと計算をして答えを出すことにした。ま、それ以前にこの問題、公務員の採用試験などで見たことがあるはず。

 「北大に挑戦」だから北海道でロケかと思われたコマ大チーム。やはり経費がかかるということでロケは近場で済ませる。今回は北海道の名産品を売っている店へ向かった。北海道といえば魚介類をはじめ、うまいものがたくさんある。その売られているものから六角形のものを探して検証に使う、とのこと。

 私はコツコツと計算して答えを出した。

点Aの軌跡は上の図の赤、緑、紫の線になる。これら3色に分けた部分の長さを計算していく。

これで文句なし。でも一応間違いがないか確かめていく。

 コマ大は六角形のビンを使い、頂点の一つに鉛筆の芯を当てて、問題の通りに動かし線の長さを求めた。マス・ポヌペアと東大生チームも早々と解答を済ませ、久々の「東大生プチ情報」。新しいアルバイトを始めた山田さん、結婚したいと思った男性が現れた木村さんの話を聞きながら北海道土産の「コマイ」を頬張るコマ大チームとマス北野。完全に居酒屋状態であった。各組の解答は以下の通り。

コマ大チーム 検証の結果。描いた曲線を
ひもで計り取った
マス・ポヌペア 2(2+√3)π/3 私の計算法と同じ
東大生チーム 1+√3/3 πを書き忘れた。
私の計算法と同じだが…

 マス・ポヌペアと東大生チームは同じ計算法をしていたが、なぜか(πを書き忘れていなくとも)答えは違っている。果たして正解は?

正解…(4+2√3)π/3 マス・ポヌペア正解!

さすがのマス北野も東大生と違う答えに戸惑っていたが、正解であった瞬間にいつもの饒舌ぶりが戻った。東大生チームの解答を見てみると、最後の計算のところで円周を「直径×π」とするべきところを「半径×π」としていた箇所があった。これは凡ミス…

私も間違えそうな凡ミスですので、余り責められません。

今回のコマ大フィールズ賞はもちろんマス・ポヌペアに渡った。3週にわたって挑んだ北大の入試問題。次回はどこの入試問題に挑むのでしょうか?


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