NEW!【国家一般職】平面図形の回転移動は「絶対に」ここを見て【おうぎ形が通過する領域の面積】

【国家一般職】平面図形の回転移動は「絶対に」ここを見て【おうぎ形が通過する領域の面積】 平面図形
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モクセイ
モクセイ

「解法のポイント」はないこともある、かもしれない

今回のテーマは……「平面図形の回転移動」

平面図形の回転移動って難しい。

「回転をうまくイメージできなくてもういいやってなる」

そんな人も多いはず。
図形を丸ごと動かそうとすると、頭がこんがらがってパニックに。

実は、平面図形の回転でカギを握るのは図形そのものではなく「点の移動」なんです。
特に、通過領域を捉える上で「絶対に」意識したいのが

中心から最も遠い点

今回は、平面図形の回転移動を扱った問題を【世界一ていねいに解説】します。
いつものように、国家一般職の過去問をもとに作ったオリジナル問題を出題。

演習問題:おうぎ形が通過する領域の面積

図のように、半径6、中心角60°のおうぎ形OABを、Bを中心として辺OBが水平となるように時計回りに回転させる。このとき、斜線で示す領域の面積はいくらか。ただし、円周率は3とする。

中心角60°、半径6の扇形OABの回転移動

  1. \(\frac{27}{4}\)6.8
  2. \(9\)
  3. \(\frac{55}{6}\)9.2
  4. \(\frac{28}{3}\)9.3
  5. \(12\)
2

おうぎ形そのものの回転をイメージする必要はありません。
むしろ「点」の移動を思い描いてほしい。

それでは、解説スタート!

解説:点Aの道筋を弧とするおうぎ形の面積

問題文にある通り、回転の中心は点B。
すると、「中心から最も遠い点」は点Aになります。
→点Aの移動に注目

△OABは正三角形(頂角60°の二等辺三角形)なので、正確には点Oも「最も遠い点」になります。
が、本問での議論の対象は上側にある領域なので、点Oの動きを追う必要はありません。

モクセイ
モクセイ

OBが水平になるので、回転角は30°←ここも重要

回転移動によって、それぞれ

O → O’
A → A’

と移るとします。

点Aの道筋は曲線AA’。
回転移動なので、AA’は円弧になります。
→ (扇形BAA’を作るために)目的を持って補助線を引く 補助線BAおよびBA’を引く。

補助線BAとBA'を引く→おうぎ形BAA'になる
補助線を引く

斜線部とこのおうぎ形をよ~く見比べてください。
何かに気づきませんか?

そうです。
このおうぎ形BAA’(バアア)こそが、斜線部の面積に他ならないんです。

モクセイ
モクセイ

ババアじゃない、「バアア」ね?

おうぎ形バアア(BAA’)には、余分な白い部分(青太線)も入ってる。
上のアイスクリームみたいな部分(オレンジ太線)もあるし、ぜんぜん同じに見えないよ

おうぎ形の余分な部分とはみ出す部分の図示
余分な部分とはみ出す部分

そう思うでしょう?
でもこの2つ、一致します。
だって、余分な部分を回転移動したものがアイスクリームだからです。

余分な部分とはみ出す部分が一致するアニメーション
シンデレラフィット

差し引いたあとに同じものを足すなら、結局はプラマイゼロなので、アイスクリームも含めた斜線部の面積は扇形バアア(BAA’)に一致します。

足し引きする面積が回転させると一致する→斜線部はおうぎ形
「アイス=余分」なのでプラマイゼロ
モクセイ
モクセイ

食後のアイスを余分と申すか。戦じゃ

つまり、半径6中心角30°のおうぎ形の面積を計算すればOK。

\[
6×6×3×\frac{30°}{360°}=9
\]

よって、2が正解です。

おわりに:回転移動は「最も遠い点」を追え

お疲れ様でした!

回転移動する平面図形の通過領域では、中心から最も遠い点の動きが重要。
本問では、中心Bから最も遠い点であるAの移動を考えると、求める面積に等しいおうぎ形バアア(BAA’)が見えてきます。

回転移動する図形が描く軌跡については、過去に詳しく解説した記事がありますので、そちらも参考にしてください。

このほか、数的処理の穴場では、平面図形の問題をたくさん紹介しています。
平面図形の過去記事はコチラ。

最後に一言

トップバリュの業務用アイスおいしいよ

モクセイ
モクセイ

クッキークリームを一人でむさぼり食ってる

最後までお読みいただきありがとうございました。

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