高校数学 東京工業大学2018 (平成30)年度 前期入試問題の解説

分析

解答例

第1問

(1)

二次方程式の虚数解は、解の公式から見えるように、複素数平面上において実軸対称である。4点は等脚台形になるので、「対角の和がπ」という共円条件を満たす。

中心は、複素数平面を活かして|α -z| = |β -z| ⇔ (α -z)(αz) = (β -z)(βz) とし、解と係数の関係で解くのが王道だろう。xy平面上の図形と考えて三平方の定理を使っても良いが、元は複素数なのでy座標の根号内の符号が変わることに注意。

(2)

「同一円周上」という条件を表す為のa, b, cの値の比較で、それぞれの解答例が異なっている。東進とパスナビは、a, b, cのうち二つが同じでも構わないとしている。Math Stationはa≠b, b≠c, c≠aとしている。私は前者が正しいと思う。ちなみに、”a≠b≠c”は”a≠b, b≠c, c≠a”と同値ではないので使ってはいけない。

さらに、東進はbの範囲の指定も不要としている。おそらくこれが完璧な解答だろうが、そこまでの答えは要求されていないだろう。

ある2点が「同一直線上にあること」は「同一円周上にあること」の必要十分条件と言えると私は思うのだが、数学的には違うようだ。

第2問

(1)

a, bが互いに素であればax +by はどんな整数にもなり得るという性質を利用する。

(2)

二元一次不定方程式はセンターでも頻出で、1変数に置き換えるのが定番。これは三元なので2変数で置き換える。二元不定方程式でやる操作を二周すればよい。

(1)で得た特殊解のzを固定してはいけない。なぜなら35x +91y +65z = 3は図形的にはxyz空間上で傾いた平面だから、zを固定するとx, yの選択肢を狭めてしまうからだ。

第3問

(2)

与式に三角関数が含まれている為、anは解けない。そこで挟み撃ちの原理で評価する。nの値を大きくしていったときに、どの範囲で動いているかを見定めて挟む。nを偶奇で検証するのが面倒なところ。

挟み撃ちの原理を使わず、n→∞においてa2m +a2m+1 が2(2πm +π/2)に限りなく近づくことを利用する裏技もある。

第4問

今年度の最難問。後期1998年度第2問が類題。

(1)空間的、平面的に図を描いて考察すれば分かりやすい。

(2)回転体の体積を求めるから断面積の関数が欲しいが、そこで(1)が役立つ。半径の考察が難しく、回転体がx = ±2の制限を受けるという事は直観的に分かるが、そこを考慮するだけでは不十分。方針だけ詳述して逃げるというのも手だ。

第5問

指示に忠実になればよい問題だった。

(1)点Xはnが偶数の時のみA, B, C, Dに存在するという事を見抜くのが大事。

(2)nを用いて表せと指示されているので一般項を求めると分かる。4種の数列を組み合わせる必要があり面倒くさそうだが、纏めると単純な等比数列に帰着し、これが(3)を解く上での重要な性質となっている。

(3)(2)のヒントを汲み取れたかどうか。(2)と同じ要領で、項の符号を変えたものを使って一般項を作るとどれも単純な等比数列だ。勘が良ければサイコロの高い対称性から気づけるかも。 そして連立してanを導く。

高校物理 東京工業大学2018 (平成30)年度 前期入試問題の解説

分析

解答

[1]

二体問題なので運動量保存則を使うはずだ。

(a)

重心の公式は数学の内分点の公式と同様だ。

(b)

(a)も含めてここまで解いた式を組み合わせて(エ)を導くという構成。

複数の物体間で運動量保存則が成立していれば、それらを合わせた重心は等速運動をするという有名事実を示している。これは憶えておくべきことだ。

(g)

力がテーマになっているので小球についての運動方程式を立てる。小球に作用する力は重力と垂直抗力なので、垂直抗力に平行な力を抽出する。

[2]

一様でない磁場がテーマ。〔A〕は電磁気学と力学が融合している。

(a)

ジュール熱はIVt = I2Rt = V2t /R で表せるが、tは解答に使えないし、落下中のコイルの磁束の変化率は一定でないので誘導起電力を算出するのが困難だ。そこで、ジュール熱を落下するコイルの力学的エネルギーの減少分と見なす。

保存則にはこういう出題の仕方があるわけだが、発想の転換が必要なのでいきなり難しい問題だった。

コイルが発熱した分だけ落下速度が下がるというのが面白い。

(b)

電磁誘導の法則またはV = vBl を使って起電力を算出できる。

(g)

(f)が解けなくても、「(f)の解をvfとおく」として答えを書けば部分点は得られるだろう。

(h)

電流の向きが実際のものとは逆に定義されているので、I’を含む項の符号を逆にする必要がある点に注意。

(i)

直感で解ける問題。

[3]

誘導を如何に活かせるかが重要だった。

(b)

回折格子の実験装置の間に凸レンズがあるが、これがどの様に働くかを検証させている。

回折格子により光は縦方向に回折する。光軸に平行でない平行光線が一点集中するという事実は無名だろう。

横並びの平行光線はレンズが無ければそのままスクリーンに届いて縞模様が映し出されるが、レンズによって一点集中する。

(c)

(a)と(b)の考察を元に導く。sはm = 1の場合の明点なので、d sin θ = λ となる様なθ に対応している。

(f)

(d), (e)の考え方を利用した問題。(d)から、スクリーン上の点はG1, G2,G3の配置場所に依存しないと分かる。また(e)から、格子の角度を変えるとスクリーン上に原点を中心に回転した点列が現れると分かる。

パズル的な性質がある。tanの値は中途半端な数値にはならないと予想して0や1を適当に書いておく手もある。

(h)

(g)の考え方を利用する。

高校数学 東京工業大学2020 (令和2)年度 前期入試問題の解説

分析

解答例

第1問

整数問題はいつもの様に実験によって答えが見えてくる。

(1)

「3を法として2に合同」とは、「3で割った剰余が2である」という意味。

合同式に絶対値記号が含まれているのは見慣れないが、場合分けすればよいだけだ。

3を法とするので、x ≡ 0, 1, 2の3種類に分けて調べていく。合同式は積と和と差が成り立つので、ふつうの方程式の様にx2 -x -23 ≡ 2にx = 0, 1, 2 を代入する事が出来る。

合同式を使えるかが試されたが、そもそも「法」や「合同」の意味が分からず捨ててしまった人も居るかもしれない。しかしこの問題が解けなくても(2)は解けるので大問毎捨ててはいけない。

(2)

(1)で3を法として調べたので、ここでもそれを引き継ぐ。与式が素数であるためには、3で割り切れないことが必要条件というわけだ。

与式にわざわざ絶対値記号が付けられているという事は、その記号の影響を受ける値付近が答えになっていると勘づく。

第2問

(2)

複素数平面を利用しなくても解く方法は色々ある。複素数平面を利用するなら、外接円の中心を原点、Pの座標をzとして、与式を変形していけば自然と解ける。

東進の別解2の様に、Pを劣弧AB上におくとCP = AP +BPが成り立つ事を示す方法もある。ちなみにこの CP = AP +BP は、2018年共通テスト試行調査でも題材になっている。

第3問

(1)

ACはxz平面上、ABはyz平面上にあるので、ベクトルを使うより、平面Hのそれぞれの平面での直線との交点を求めるのが速いだろう。

ACとBCは、座標軸との交点の座標が分かっているので、簡単に方程式を作れる。ACは(3, 0, 0), (0, 0, 4)を通るのでx /3 + z /4 = 1、BCは(0, 3, 0), (0, 0, 4)を通るのでy /3 + z /4 = 1 である。

(2)

同一円周上にある条件の立て方は、方べきの定理以外では困難なようだ。センター試験で頻出だし、P, Q, R, S, Tの配置で思い出しやすい が、東工大数学でこの手の定理を使うのは珍しいかも。

その後は方べきの定理で立てた等式を変形していき「= 0」の形にする事で必要十分条件を抽出する。b = aのグラフだけ書いていても部分点は得られるだろう。

第4問

(2)

斜め回転体は2009年以来の登場。当時は軸が空間上に存在するという難問だったが、今回は標準的なレベル。

「(1)の結果を用いて」と指示してあるが、そのままxで積分してはいけない。積分とは、微小な短冊を「縦×横」で足し合わせる手続きなので、線分または面に垂直な軸での積分が必要だからだ。ただし、軸との傾きによる面積の減少を考慮すれば可能である。それがcos θを使った裏技公式である。

回転軸に座標tを設定して、tとxの関係式を元にt→xへの置換積分を行う。x(2sin x -sin 2x)を積分することになるが、2項に分けて部分積分するよりもそのままの方が速いだろう。

第5問

珍しく一つの大問に4つも小問が与えられている。前年度の第4問の難しさを反省した結果かもしれない。

(1)

ak+2 を部分積分するなら三角関数を変形、akを部分積分するなら xkの方を変形しておく。 どちらも労力は変わらないようだ。

(2)

ak が0に収束しそうなのは与式から分かるが、k ak は不明なので直接に算出できそうにない。ところで、なぜか「限りなく大きくする」という表現をしているが、これは要はlim(k→∞)の事である。極限といえば挟み撃ちの原理であるからこれを使おう。

特性方程式を使えば1に収束すると予想できる。(1)で得た式を k・ak について解くと1とak+2を含む項が出てくるので、ak+2 が0に収束する事を示せばよいと分かる。

さて、ゴツい数式を目の前にして何で挟むかで悩むが、与式にsinが含まれていなければ値が出せるので、0≦sin(πx /2)≦1を利用するのが良さそうだ。ちなみに0≦xk-1≦1 を利用してしまうと、残された式にkが含まれていないので極限を使えなくなる。

要は、与式をlim(k→∞) とした時にak = 0 である事と、(1)の結果とを組み合わせれば良いのだ。

また、東進の別解の様にak の漸化式を解いている途中で出てくる1/kを利用して挟む方法もある。

(3)

一見すると0以外の収束値を持たない様に見えるが、不定形の計算ならば0以外になり得るので∞×0の形に持ち込む。

k・ak の収束値が0ではなく1であるという(2)で示した事実がカギだ。ak を収束させれるkの指数の上限値を示しているからだ。 kの指数が0になるようなm, nの値を探す。

極限に対する理解の深さを問われた良問。難問なので、m -n = 1という必要条件だけでも示せば5点は貰えるだろう。

(4)

これも ∞×0の形に持ち込む。

漸化式をマクローリン展開の様に項数を調整した上で極限を取るという作業が必要だが、この発想は出てこないだろう。

前問に輪をかけて難しい。真面目に記述していたら解答用紙の余白が足りないのでは?これもp -r = 3, q -r = 2という必要条件だけでも示せば5点は貰えるだろう。

高校化学 東京工業大学2016 (平成28)年度 前期入試問題の解説

分析

解説

第I問

〔1〕

  • (イ) 標準状態で気体となる元素は、希ガスを除くと5種類に限られる。
  • (オ)結合エネルギーは一般には原子間距離が小さいほど大きいが、H2 < N2 である。
  • (2)CaCl2, MgCl2, NaOH は潮解性があり、中でも CaCl2 は潮解し凝固点降下を起こす性質から融雪剤として利用されている。
  • (3)地殻中や人体では酸素が5割を占める。

〔2〕

  • (ア)CrO42- (黄)はH+を加えると、水と Cr2O72- (赤橙)に変わる。これは酸化還元反応ではないのでCrの酸化数は不変だ。
  • (ウ)( エ) MnO4(酸性)と MnO2は還元するとどちらもMn2+ になる。
  • (3)酸化剤、還元剤が反応後に何を生じるかを知っていればよい。
  • (4) O2は空気の平均分子量29に近いので水上置換が最適。

〔3〕

一風変わったテーマだが、状態の段階ごとに情報を整理して、平衡状態の段階で平衡定数の式を立てる原則は同じだ。

混合前のギ酸水溶液・酢酸水溶液は電離度0として扱う。混合後に生じたギ酸イオン・酢酸イオンの量が不明なのでx, y と置き、電離平衡の式を立てる。

切りの良い値が答えになっている確率が高い。

〔5〕

空間図形の計算を扱っており難しいと評価されているが、東工大受験生は数学が得意なので朝飯前だろう。有効数字を考慮すると有理化はしない方が良いようだ。

第II問

〔6〕

見慣れない問題だが、反応熱 = (生成物の生成熱の和) -(反応物の生成熱の和)というお馴染みの式を使えば瞬殺だ。生成熱と結合エネルギーは等価である。

〔7〕

アミノ酸の電荷の総和が0となるpHが等電点である。等電点の問題では[陽イオン] = [陰イオン]が重要だ。

〔8〕

  • (1)電子を得るのが還元、失うのが酸化だ。これは酸化数の増減が電荷の増減に対応している事を知っていれば間違えない。
  • (2)リチウムイオン電池は二次電池、リチウム電池は一次電池。
  • (5)両極でPbの酸化数が異なるので、放電時に両極でPb2+が生じてこれが水溶液中のH2SO4と反応してPbSO4 となる。
  • (6)燃料電池にはリン酸型とアルカリ型があるが、負極にやってきたH2が導線にeを渡してH+ は水溶液中を通過して正極側の O2と反応してH2Oとなるのは一致している。

〔9〕

(4)反応速度vはモル濃度の曲線の傾きである。その時点でのH2O2の平均モル濃度cに比例するので、 直線にはならない。

〔10〕

難問と言われているが、凝固点降下や熱量について状況を整理すれば難しくはない。食塩(NaCl)が電離して質量モル濃度が2倍になるのは見落としやすい。

第III問

〔11〕

原子は表面が負に帯電している為、原子間で斥力を生じる。これにより、HだけでなくCもクネクネとした形になる。

二重・三重結合を持つ炭素とその炭素に結合している原子は必ず同一平面上にある。

(6)だけは同一直線状を問うている。この問題を最後に持ってきたという事は引っ掛けるつもりだったのか?

〔12〕

付加する水素の量を調べるには化合物Aの分子式が知りたい。

量的関係より、 13.2g(CO2)/ 44で化合物A(0.01mol)に含まれるCの物質量が分かる。同様に4.5g (H2O) /18 *2 でHの物質量が分かる。

〔13〕

  • (ア)クメンを態々イソプロピルベンゼンという別名で呼んでいるのはクメン法とバレたくないからだ。フェノール樹脂は、ノボラック(酸触媒)&加熱&硬化剤またはレゾール(塩基触媒)&加熱の二通りで作れる。
  • (1)熱硬化性樹脂は立体網目構造である。
  • (2)アセタールとはアルデヒドやケトンをアルコールと脱水縮合する事を指すが、専らビニロンの製法で使われる表現だ。
  • (4)二重結合がO3により酸化され劣化する。シリコーンゴムは二重結合を持たないので酸化に強い。

〔14〕

問i

  • (1)αグルコースとβグルコースは区別しない。
  • (2)グルコースのみから成る二糖類はマルトース、トレハロース、セロビオースがある。
  • (3)酵母が糖類をエタノールと二酸化炭素に分解する反応は、酒やパン(CO2の発生により膨らむ)の製造に利用されている。

高校数学 東京工業大学2012 (平成24)年度 前期入試問題の解説

分析

解答例

第1問

センターレベルの易しい問題。

(1)

OCとDEは垂直なので、DEOA, OB, OCで表すとOC の項は0になりそうだが、もしこれが0ならばEはOに一致する。つまり直交座標系とは見做せないのが原因だ。

(2)

要するに目の積が2と5の倍数であれば良いのだから、電数のように、それぞれの事象でベン図を描き、余事象に加法定理を用いるのがエレガント。

数え上げる方法でも数分で答えられてしまうのは流石に出題に工夫がない。

第2問

(1)

与えられた対数の値から3100の桁数は分かるので、これを元にして考察していく。問題自体は簡単なので、論証問題のように扱い、-1 /2についても丁寧に論述すべきだろう。

(2)

ガウス記号が登場しているので、定義通りの不等式を立てるのが常道。そして整数問題は実験が有効だ。

第3問

(2)

簡単な様に見えて意外に計算が厄介な東工大らしい問題。ここまで簡単な問題ばかりだっただけに面喰ってしまうが、それが出題者の狙いなのだろうか。

いかに工夫して計算量を減らせるかが試されている。共有点のx座標をα, βと置くのは定番。さらにS(a)をaで表すと根号が出てきて扱いにくいのでαで表すのが自然だ。

a = 0とならないのが意外なところで、解はa = 38 -27√2 ≒ -0.18である。これは、直線lの回転軸がCの変曲点ではなく原点にあり、そこから遠いほど変位が大きい為だ。答えが出せなくてもこれを説明して-1 /4 < a < 0と書いておくのもアリだ。

第4問

(2)

明らかにパターンに当てはまらない漸化式なので、一般項の予想が必要になる。そして数学的帰納法で証明する。

漸化式に「全ての前項」を参照する級数が含まれているので、ここでは応用的なn≦k型の数学的帰納法を用いる。

(3)

級数と極限の組み合わせと言えば区分求積法である。(2)を答えられなかったとしても予想した一般項で解答できる。

挟み撃ちの原理を使わずに解答しても間違いではないだろう。

第6問

東大理系98年前期[6]で出た四角錐の部分が三角錐になった問題だ。空間認識力が必要とされる。

断面積を求めるとき、正三角形から扇形と二等辺三角形を除くことになるが、その際にθを設定する必要がある。二等辺三角形については三角関数で、扇形はθで面積を求める。

xy平行平面(y = t)で積分するのが自然だろうが、実はMath Stationのようにxz平行平面(z = t)の方が簡単。

類題の経験が無いと難しいが、方針くらいなら書けるだろう。

paypay 2020-11キャンペーンくじ 800円クーポンで128GBのUSBメモリ購入

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それで何となくpaypayのアプリを覗いてみたら、paypayのくじを見つけた。引いてみると、 ヤフショとpaypayモールで使える800円クーポンが当たった。そこで、最近欲しいと思っていたUSBメモリを買った。東芝製のUSB3.0対応で、128GBで1700円。クーポンと各種還元で800円ほどで買えた。

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この手のくじはマトモなものが当たらない印象があるだけに驚いた。毎日引こう。

まだ500円クーポンが残ってるので何を買うか考えよう。5日が安くなるのでその日に買おう。

高校物理 東京工業大学2016 (平成28)年度 前期入試問題の解説

本年度は歴史的な高難度。比較的易しい第3問を出来るだけ解けるように、第1, 2問に時間を使い過ぎない様にしよう。

〔1〕

例年の力学問題と比べて誘導が少なく、発想力を要する。

(a)

錘の位置は立方体の位置に従属するので、立方体が持つ変数で表せる。

(b)

わざわざ比の形式で答えさせているのは、T1, T2の具体値を求める必要がない事を示している。ここでは力がテーマなので運動方程式を利用しよう。

「糸に繋がれた物体の運動」という点に着目すると、立方体や壁にとっては錘は同じように円運動をしていると気づける。この対称性を利用すると、壁にとっては T2cosθ -T1cosθ、立方体にとっては慣性力に注意してMa/ 3 -T2cosθ +T1cosθ となり、これらが等しい。

(c)

「弛んでない糸に繋がれた物体の運動」という点に着目すると、壁にとって錘は円運動をしている。つまり、軌道が特定されているので、水平方向の速度が決まれば鉛直方向の速度も確定するのである。これは円運動に限った事ではなく、放物線運動などでも成立する。

円運動に気づけないと詰み。「長さが一定の物が動く」というのが円運動の本質。

(d)

ここでも円運動の束縛条件を利用する。円運動に対するT1の法線方向成分を求めるのも難しい。

(e)

「質量を持つ弛んだ糸」という珍しい設定で、考察が難しい。力が釣り合っているので、とりあえず垂直・水平方向に分解しよう。

各錘が静止しているという事は力が釣り合っているという事だから、各錘を結ぶ糸の水平方向の張力は全て等しい。つまり立方体への水平方向の張力はTだ。糸が張っていなくても、水平方向の張力はどの地点も等しいのである。

また、10個の錘を立方体と壁で平等に支えているので、垂直方向の張力は5mgだ。

(g)

立方体の垂直抗力は、立方体の質量に加えて張力の鉛直方向成分も含まれる。

〔2〕

速度や力の計算に於いて、回転子と絶縁体棒を混同しないように注意。

(a)

誘導起電力は閉回路でなくても生じる。電磁誘導の法則と同じように単位時間あたりの電荷が移動した面積を求めよう。

PQを磁場中を動く導体棒と捉え、V = vBl で求めた方が速い。その際は、PQの中点の速度をvとしよう。

ローレンツ力により電子はP側に集まるので、電場の向きはQ→Pとなる(電場の向きは混乱しやすいが、コンデンサの電場を思い出すと良い)。

これが手回し発電機と同じ役割を果たして、今後の設問に発展していく。

(b)

スイッチを入れた瞬間は、抵抗とコンデンサを含む並列回路におけるコンデンサの電位差が0なので、電流は全てコンデンサ側に流れる。よって回路全体の抵抗はRだ。

充分に時間が経つと、コンデンサは電位差が抵抗の電位差と等しくなり、電流は流れなくなる。よって回路全体の抵抗は2Rだ。

仕事率と消費電力の等価性Fv = V2 /R またはF = IBl で導ける。

(c)

前問が分からなくても感覚で解ける問題。

(e)

回転子が等速円運動する事で交流電源となる。

(f)

IL0 = V0 /ωL, IC0 = V0ωCなので、 IL0 /IC0 = 1 /ω2LC となる。

それぞれの振幅はリアクタンスに比例する。リアクタンスはQ =CVについて微分、V = L dI /dt について積分することで得られる。

(h)

磁場中で導線を動かしても力が生まれないのは不思議だが、これはコイルの逆起電力により電流が打ち消されている為だ。この時に共振回路が生まれる。

vh を求める上では IL0 = V0 /ωL, IC0 = V0ωC を知っている必要があるが、これを忘れていても「IL0 = IC0」は書いておこう。

〔3〕

熱と力学が融合した問題。

(a)

容器A, Bの水面の高さが同じである時、理想気体の圧力はp0である。なぜなら、容器A, Bは細管で繋がれているので液体はパスカルの原理によりどの面に於いても等しくなり、理想気体の圧力と大気圧が間接的に釣り合っていると言えるからだ。

容器Bの高さを変えた場合は水位の差の分の液体の重力を圧力として加算する必要がある。化学で学ぶ水銀柱でも同じ考え方を用いる。

ここで「容器Bの高さを変えると大気圧も変わるのでは?」と思った人は鋭い。大気圧は、高度が高いほど低くなっていくのは知られているが、数メートルの差ではその変化は無視できるほど小さい。したがって大気圧は不変であると近似しているのである。この考え方は重力においても同様である。

(c)

Wa‘は「Wa – (液体の位置エネルギーの増分)」で求めうる。

しかしより簡単に、「大気にした仕事」に着目すると大気圧は常にp0 で、理想気体が大気をΔVだけ押しのけたのだから p0ΔV と求めうる。

(d)

複雑なので図を描いて確認しよう。

(e)

keは、前問が解けなくても「pd = p0と代入してkについて解く」と書こう。Qeは、等圧変化なのでQ = nCpΔT で求められる。

(f)

ここまでの問題が解けなくても答えられる。

  • EL: (e)に於いて、加熱しても容器Aの圧力が変わらないという事は、常に大気圧と等しいという事だ。つまり常に容器A, Bの水位は等しい。
  • EL +EE: ヒーターが与えた熱量は、「理想気体の内部エネルギーの変化」「大気への仕事」「液体の位置エネルギーの変化」「弾性エネルギーの変化」の4つに変換されたはずだ。しかし、容器A内が圧力p0の定圧変化をしているということは、この実験系を位置エネルギーや弾性エネルギーを無視して「容器Aのピストンが直接に大気を圧力p0で押している」と単純化することができるのだ。

(g)

(d)が解けなくても分かる。

高校数学 東京工業大学2015 (平成27)年度 前期入試問題の解説

分析

解答例

第1問

(1)

どの解答例も一般項を推測で導いているのが心もとない。特性方程式を使えるようになっておくべきだ。

(2)

数列問題に特有の「数式を裁量で調整して不等式に合わせる」という技術を要する。これには慣れが必要だ。

Σ(k ak) を計算する上で、anの分母にあるnが足枷になっているので、これを定数に置き換えて不等式を作る。

an = n(6n -1) /(2n -1)を、分母にnを含む項の分子が定数になるように多項式を作ると良い。n→∞ とした時にこの項が0になるわけだ。

上記の解法とは別に、「すべてのnについて」とあるので数学的帰納法でも証明できる。「a1 +2a2 + … +n an」を何度も書くのは手間が掛かるし気が散るので、これをSnと置こう。bn の場合に成立すると仮定して、bn+1 の式を立て、これを bn を含む形に強引に変えて不等式を作るわけだ。

(3)

極限値を求める問題であり、(2)で不等式を証明している事から挟み撃ちの原理を使うと分かる。

(2)の問題文で与えられた不等式から3に収束するのは明らかなので、(1)と(2)が解けなくても堂々と3 < bn を示して挟み撃ちの原理を用いればよい。

第2問

(1)

p, q, r, s, tについて解くので、これらを含むベクトルOH, AH’について注目して、垂直をなすベクトルと内積をとる。さらに、内分点の位置ベクトルを表す為に用いている媒介変数は和が1になるので、p +q +r = 1, s +t = 1だ。

(2)

四面体の高さを求める為に|AH’|2を計算するが、s = t = (2 -x2)/3 はそのまま文字で置いたまま計算した方が、ab = ac =3t/2 と置けるし楽だろう。ちなみにこのxの式は、(1)の誘導を使わなくても余弦定理などで解ける。

x = √2 において四面体が成立する十分条件を満たしている事を示すために図を描くのが手っ取り早い。

OA ⊥ △OBCのときにVは最大になるのは自明なので、(1)が解けなくても部分点は得られる。

第3問

ガウス積分を題材とした難問。こういうのを出してくるのが東工大である。(2)まで解ければ大したものだ。

(1)

これは簡単。

逆関数に変換するのがポイント。「x =」の式では積分できないが、回転体なので「x2 =」で構わないから積分できるわけだ。

バウムクーヘン分割を使えば逆関数にする必要はない。ただし一般的手法ではないので減点されるかも。

(2)

回転体の断面積を求めるが、類例が見られないので自力で構想する必要があるだろう。

「s2 +t2」 の部分が三平方の定理を使って断面積の関数を作るヒントになっている。「三平方の定理を使って断面積の関数を作る」と書いておけば部分点は得られるかも。

右辺が断面積の最大値を表していると気づけば、予想でS(t)を書いておけば部分点は得られるかも。

(3)

体積の平方根と断面積を比較していることから、「Vは S(t)を-a < t < a で積分する事でも得られる」という事に気づくのがカギ。それだけでも部分点狙いで書いておこう。体積が曲線の二重積分である事が学べるが、大学レベルの話だ。

e-x2 を積分するのは高校数学範囲では恐らく無理。

第4問

(1)

θではなく内積を使ってcos θ から求める。cos θ → 0 を求めた後は、0 ≦ θ ≦ π を書こう。

(2)

(1)より簡単なように感じた。

第5問

(1)

a, bをそれぞれ最小公倍数で割ったα, βは互いに素であり、f(a, b) = αβ と書けるのでnの約数と言える。

(2)

aは約数として素数の整数乗は持たない、つまり「異なる素数の積」なのでa =1 だ。どう表現すれば良いか少し悩む。

(3)

整数問題全般で使える事だが、a = 6, b = 10 といった様に具体化してみると一気に見通しが良くなる。

高校化学 東京工業大学2019 (平成31・令和元)年度 前期入試問題の解説

分析

解説

第I問

〔1〕

  • 1.電子軌道のエネルギーは4s < 3pとなっているため、第4周期の遷移金属には4sに1または2個入った元素が並ぶ
  • 2. CrO42− は黄色。Cr2O72−は橙色で、還元すると緑色のCr-3になる。
  • 3.ハロゲンは電気陰性度が高いのでハロゲン化物には溶解度が高いものが多いが、銀は金属の中でも電気陰性度が高くAgCl(白), AgBr(淡黄色), AgI(黄色)は沈殿する。しかしFは電気陰性度が極めて大きいので溶解する。
  • 4.両性元素の単体は、酸・塩基のどちらと反応しても水素を生じる。Alの配位数は6だが、ヒドロキソOHは4配位しか作らない。
  • 5.OH化物はアルカリ金属・アルカリ土類金属以外は全て沈殿する。

〔2〕

  • ウ.熱濃硫酸は硫酸が熱によりSO3に分解しておりこれが酸化剤として働いてSO2に還元される。
  • 1.有色気体はF2(淡黄), Cl2(黄緑), NO2(赤褐), O3(淡青)の4つ。
  • 3.硫化物は基本的に黒だが、ZnSは白, CdSは黄。
  • 5.ヨウ素ヨウ化カリウム溶液は、水に難溶な I2がヨウ化カリウム水溶液には解ける事を利用した水溶液であり、ヨウ化カリウム(還元剤)とは異なる。SO2は酸化剤・還元剤どちらにもなり得るが、I2は酸化剤なので還元剤として働く(SO42−)。
  • 7.自己酸化還元反応によりHCl +HClOとなる。自己酸化還元反応は、 H2O2 をMnO2を触媒としてO2を発生させる場合やNO2からHNO3 を作る場合に起こる。

〔3〕

Clは強酸由来のイオンなのでその化合物は溶解しやすいが、Pb, Ag, Hgについては沈殿する。

〔4〕

CuSO4 +H2S ⇄ H2SO4 +CuS↓

CuSが沈殿しているという事は水溶液に溶けているCuSは飽和状態なので溶解度積を使える。

CuSO4 のモル濃度の値は計算に直接関係しない。

〔5〕

(問ii)CとDの関係は、原子量と密度について分かっているので、密度に関して関係式を作る。原子量は単位格子内の質量を求める際に使う。

第II問

〔6〕

  • 2.HeとNe以外は閉殻ではないが、オクテット則により安定している。
  • 3.第一イオン化エネルギーは同周期では貴ガスが最大。
  • 4.「天然に同位体が存在しない」という事を証明するためには、地球上の全ての元素を調べ上げる必要があるので厳密には不精確である。無視できるほど天然の同位体の数が少ない元素にはF, Na, Pなどがある。

〔7〕

  • 1.ArrheniusはH+を持ちそれを放出する物を酸、 OHについて塩基と定義した。しかしこれは水溶液中の物質しか適用できず、 NH3 も塩基として扱えない欠点があり、これをBrønsted & Lowryが改良して「H+を放出するのが酸、受け取るのが塩基」とした。
  • 3. 弱酸(塩基)の電離定数はKa = Cα2である。濃度が高まればルシャトリエの原理により電離度は下がるので分かる。ちなみに緩衝液においては Ka = [H+]Cs /Ca, 加水分解定数はKh = Ch2 だ。

〔8〕

反応熱の問題は、エネルギー図を書くと把握しやすい。

  • 1.反応熱 = (生成物の生成熱の和) -(反応物の生成熱の和)
  • 2.水素の燃焼熱の反応式と水の生成熱の反応式は同一。
  • 3.二酸化炭素の生成熱は「C(黒鉛) +O2(気) = CO2(気) +Q」で表されるが、「二酸化炭素のC=O結合」で言及されている二酸化炭素は気体であるので、黒鉛の昇華熱が必要。
  • 6.蒸発熱・融解熱・昇華熱は状態変化のための熱(冷却曲線における平坦な部分に当たる)なので、温度変化のための熱も必要。

〔9〕問ii

どの窒素酸化物の濃度を未知数として置くかで解法は異なってくるが、大筋は同じだ。

容器にO2 を加えた後は、NOは無くなりNO2, N2O4, O2 のみになった。大事なのは、この時点での容器内の気体は、NO2, N2O4の間では正・逆反応が起きて平衡状態になっている一方でO2は何も反応を起こしていない(無視できる)点だ。したがって問iで導いた平衡定数の式を利用できる。

状況を把握する為に流れを書き出してみると良い。

各物質の量的関係を立式する必要があるが、バランスシートで確認する方法のほか、化学受験TUBEのようにNの物質量が不変なのを利用する方法もある。

〔10〕

沸点上昇・蒸気圧降下の理解を問う良問だ。

液体が受ける外圧は、沸点では蒸気圧に等しい。

蒸気圧曲線は一般に下に凸の曲線なので、このような一次関数にはならないので取っつきにくいが、化学を思考力を試す問題に仕立てる為にこうなっている。

状況把握が難しいが、わざわざ一次関数にしている点に着目してグラフを描いてみると、純溶媒と溶液のΔtb に関する関係が明らかになり各段に分かりやすくなる。

第III問

〔11〕

  • (1)2,4,6-トリブロモフェノールの白色沈殿を生じる。よく似た構造にニトロ基を持つ黄色のピクリン酸があるが、ピクリン酸は爆発性を持つのに対してこれは難燃剤に用いられるのが対照的だ。
  • (2)アルカリ融解法では、ベンゼンスルホン酸ナトリウムの官能基(-)を電離させる事でヒドロキシ基を結合させる。これは昔の製法で現代では(ア)のクメン法が用いられる。
  • (3)ナフタレンをV2O5を触媒に酸化するとCを2個失ってフタル酸になる。
  • (4)ヒドロキシ基と酢酸が濃硫酸を触媒に脱水縮合する。
  • (5)無水フタル酸は加水分解するとカルボキシ基を持つようになる点に注意。

〔12〕

「最も~」という問題は、その指名されている物質から評価するのが効率的。なぜなら、次に別の物質を評価して反証となっていれば、その時点で「誤り」と結論付けて次の問題へ進めるからだ。

ベンゼン環の二重結合と単結合は区別する必要がない。

〔13〕

  • (2)けん化とは、エステルに塩基を加えて酸の塩とアルコールに加水分解すること。ここではポリ酢酸ビニルをNaOHでけん化して ポリビニルアルコールと酢酸ナトリウムに加水分解した。
  • (4)スチレンとp-ジビニルベンゼンを共重合させ、濃硫酸でスルホン化させたのが陽イオン交換樹脂だ。
  • (5)架橋構造を持つポリアクリル酸ナトリウムは、水に溶けるとNa+ が電離して分子内での電気的反発が生じるため膨張し高吸水性高分子として働く。
  • (6)イオン交換樹脂は高分子なので水に不溶。
  • (7)縮合重合で作ることも可能だが、ア~オに書かれた製法には縮合重合は含まれていない。誤解を生む問題文だが、これが東工大の方針という事だ。

〔14〕

各予備校によるとこの問題が最も難しいようだが、私は逆に最も簡単だと思った。実験1の情報だけで確定するのでは?