方針
平面への原点からの垂線の足 を求める。円はその平面内にあり, は平面に垂直なので,任意の円周上の点 について と分解できる。あとは平面内で,中心 ,半径2の円周上の点と との距離の最小値を求める。 が円の外にあること,すなわち も確認してから最短距離を決める。
解答
平面 の法線ベクトルは であり, である。原点からこの平面へ下ろした垂線の足を とする。 は の方向にあるので とおける。これを平面の式に代入すると より である。したがって であり である。
円の中心は である。実際, なので は平面上にある。平面内での と の距離はであるから である。
任意の円周上の点 はこの平面上にある。 は平面に垂直であり, は平面内にあるので である。よって を最小にするには,平面内で を最小にすればよい。
平面内の円は中心 ,半径2である。 なので, に最も近い円周上の点は,線分 上で から の方向へ半径2だけ進んだ点である。したがって である。
よってである。
別解
解法2
方針
円周上の点を と表し、 が平面に平行で長さ2であることを使う。 の平面方向成分は なので、内積の最小値をコーシー・シュワルツの不等式で直接求める。
解答
原点から平面へ下ろした垂線の足を とする。法線方向が であるからしたがって円周上の点はと表せる。ただし は平面に平行で である。 で、 だからここで である。またコーシー・シュワルツの不等式より等号は が と反対向きのときに成り立ち、この は平面に平行だから実現できる。よって
総評
難易度は6,計算量は4程度である。想定時間は14分から20分程度。原点から平面への垂線の足 を先に求めると,空間問題が平面内の円と点の距離に変わる。 の直交分解を明示することが採点上の要点である。中心 と の距離が半径2より大きいことを確認してから と書くと,円内外の場合分けの抜けを防げる。