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東北大学 1985年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第6問

平面x+2y+2z=9上に点A(5,1,3)を中心とする半径2の円を描く.
Pがこの円周上を動くときOPの平方の最小値を求めよ.
ただしOは原点(0,0,0)とする.

難易度6/ 10計算量4/ 10目安15

ベクトル図形と方程式 座標設定、計算整理、範囲評価

方針

平面への原点からの垂線の足 H を求める。円はその平面内にあり,OH は平面に垂直なので,任意の円周上の点 P について OP2=OH2+HP2 と分解できる。あとは平面内で,中心 A,半径2の円周上の点と H との距離の最小値を求める。 H が円の外にあること,すなわち AH>2 も確認してから最短距離を決める。

解答

平面 x+2y+2z=9 の法線ベクトルは n=(1,2,2) であり,n2=12+22+22=9 である。原点からこの平面へ下ろした垂線の足を H とする。Hn の方向にあるので H=s(1,2,2) とおける。これを平面の式に代入すると s+4s+4s=9 より s=1 である。したがって H=(1,2,2) であり OH=12+22+22=3 である。

円の中心は A=(5,1,3) である。実際,5+2(1)+23=9 なので A は平面上にある。平面内での AH の距離はAH2=(51)2+(12)2+(32)2=42+(3)2+12=26であるから AH=26 である。

任意の円周上の点 P はこの平面上にある。OH は平面に垂直であり,HP は平面内にあるので OP2=OH2+HP2 である。よって OP2 を最小にするには,平面内で HP を最小にすればよい。

平面内の円は中心 A,半径2である。AH=26>2 なので,H に最も近い円周上の点は,線分 AH 上で A から H の方向へ半径2だけ進んだ点である。したがって HPmin=AH2=262 である。

よってOPmin2=OH2+(HPmin)2=32+(262)2=9+26426+4=39426である。

別解

解法2

方針

円周上の点を P=A+u と表し、u が平面に平行で長さ2であることを使う。A の平面方向成分は HA 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 H とする。法線方向が (1,2,2) であるからH=(1,2,2).したがってHA=(4,3,1),HA=26.円周上の点はP=A+uと表せる。ただし u は平面に平行で u=2 である。OA=OH+HA で、OHu だからOP2=OA+u2=OA2+u2+2HAu.ここで OA2=52+(1)2+32=35 である。またコーシー・シュワルツの不等式よりHAuHAu=226.等号は uHA と反対向きのときに成り立ち、この u は平面に平行だから実現できる。よってOPmin2=35+4426=39426.

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 H 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。OP2=OH2+HP2 の直交分解を明示することが採点上の要点である。中心 AH の距離が半径2より大きいことを確認してから HPmin=AH2 と書くと,円内外の場合分けの抜けを防げる。

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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。