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東北大学 1983年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第2問

空間内の4点O(0,0,0)A(0,1,1)
P(2t,0,0)Q(t,t+1,t1) (t0)を考える.
3点OPQを通る平面が3点APQを通る平面に垂直になるようにtを定めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安16

ベクトル ベクトル成分計算内積の利用座標設定

方針

2平面に垂直なベクトルを、それぞれ平面内の2方向との内積が0になるように求める。平面が垂直である条件は、2本の法線ベクトルの内積が0であること。

解答

平面 OPQx 軸を含む。点 Q も通るので、法線ベクトルをn1=(0,t1,t1)と取れる。

平面 APQ 内の方向ベクトルはPA=(2t,1,1),PQ=(3t,t+1,t1).この2本と直交するベクトルとしてn2=(2,2t1,2t1)を取れる。

2平面が垂直である条件はn1n2=0.したがって(t1)(2t1)+(t1)(2t1)=0,24t2=0.t0 も満たすからt=±12である。

共通直線 PQ のまわりで2平面が直交する

別解

解法2

方針

2平面の方程式を直接作り、各方程式の x,y,z の係数を法線ベクトルとして読む。係数ベクトルの内積を0と置く。

解答

平面 OPQ(t1)y(t+1)z=0である。

平面 APQ は、点 P=(2t,0,0) を通り、法線を(2,2t1,2t1)と取れるので2x(2t+1)y+(2t1)z+4t=0である。点 A,P,Q を代入すれば、いずれもこの式を満たす。

2平面の法線の内積を取ると(0,t1,t1)(2,2t1,2t1)=24t2.したがって垂直条件は24t2=0であり、t=±12となる。

総評

空間の2平面の垂直条件を法線の内積へ直す問題である。目安時間は16分。te0 により点 O,P,Q が平面を定めることも確認する。法線の構成と平面方程式の2通りで t=±1/2 を照合した。

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出典: 東北大学 1983年度 前期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。