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東北大学 1985年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第4問

空間内の3直線l0:y=z=0,l1:x2=y=z−1,l2:−x=y=z+1を考える.
l0上の点P(t, 0, 0)に対し,
Pを通りl1,l2と交わる直線をgとする.

(1) gの方程式を求めよ.

(2) gとl1,l2との交点をそれぞれQ,Rとする.
Pがl0上を動くとき,QR‾の最小値を求めよ.

難易度7/ 10計算量6/ 10目安25分

ベクトル、図形と方程式 座標設定、計算整理、微分による最大最小

方針

l1,l2 上の点をそれぞれ1つの媒介変数で表し,それらと P(t,0,0) が一直線上にある条件を成分で解く。実際には比例定数が −1 となり,P が QR の中点になる。交点が出たら QR2 を t の2次式にして平方完成し,最小値を求める。

解答

(1) l1 上の点を Q=(2u,u,u+1) とおく。また l2 上の点を R=(−v,v,v−1) とおく。求める直線 g は P(t,0,0),Q,R を通るので,Q−P と R−P が平行である。

そこで R−P=λ(Q−P) とおく。成分で書くと (−v−t,v,v−1)=λ(2u−t,u,u+1) である。第2成分と第3成分から v=λu,v−1=λ(u+1) を得る。両式を引くと −1=λ である。したがって v=−u である。これを第1成分に代入すると u−t=−(2u−t) となり 3u=2t すなわち u=2t3,v=−2t3 を得る。

よって Q=(4t3,2t3,2t3+1) であり,Q−P=(t3,2t3,2t3+1) である。方向ベクトルを3倍して,求める直線は g:(x,y,z)=(t,0,0)+s(t,2t,2t+3) と表せる。ただし s は実数である。

(2)
(1) で求めた通り Q=(4t3,2t3,2t3+1) である。また R=(2t3,−2t3,−2t3−1) である。したがってQR→=R−Q=(−2t3,−4t3,−4t3−2)であり,QR2=(2t3)2+(4t3)2+(4t3+2)2=4t29+16t29+(16t29+16t3+4)=4t2+16t3+4=4(t+23)2+209である。よって最小は t=−23 のときで,QRmin⁡2=209 である。したがって QRmin⁡=253 である。

別解

解法2

方針

Q,R を媒介表示し、線分 QR が x 軸と交わる点を内分表示する。y=z=0 の2条件の差から内分比が1対1と分かるため、P は常に QR の中点である。この構造から交点と最短距離を求める。

解答

Q∈l1,R∈l2 をQ=(2u,u,u+1),R=(−v,v,v−1)とおく。線分 QR 上の点を (1−λ)Q+λR と表す。この点が x 軸上にあるためには、y,z 成分がともに0でなければならない。両成分の差を取ると(1−λ)(zQ−yQ)+λ(zR−yR)=(1−λ)−λ=0だから λ=1/2 である。したがって P は QR の中点である。

(1) さらに yP=0 より (u+v)/2=0、したがって v=−u である。xP=t よりt=2u−v2=3u2なので u=2t/3 を得る。よってQ=(4t3,2t3,2t3+1)であり、直線 g は(x,y,z)=(t,0,0)+s(t,2t,2t+3)(s∈R)である。

(2) P は中点だから QR=2PQ である。またPQ2=(t3)2+(2t3)2+(2t3+1)2=(t+23)2+59.したがって t=−2/3 のときQRmin⁡=259=253である。

総評

難易度は7,計算量は6程度である。想定時間は22分から30分程度。直線同士の交点を媒介変数で置き,3点が一直線上にある条件を比例で処理するのが最も安定する。第2成分と第3成分から比例定数が −1 と出るため,P が中点になる構造を見落とさないと計算が短くなる。(2) は QR ではなく QR2 を平方完成する。符号つきの媒介変数 v=−2t/3 を落とすと交点座標が崩れるので注意する。

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出典: 東北大学 1985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。