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東北大学 1996年度 前期日程 第2次学力試験文系数学 第3問

球面S:(x−3)2+(y−2)2+(z−1)2=1と点P(−1, 6, 3)が与えられている.
点Pを通り球面Sに接するすべての直線からなる図形とSとの共通部分として定まる円をCとする.
円Cの中心Aの座標および半径rを求めよ.
また,円Cを含む平面αの方程式を求めよ.

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20分

ベクトル、図形と方程式 座標設定、円の性質、内積の利用

方針

球の中心を M とし、外部点 P からの接点を X とおく。接線は半径 MX と直交するので、(P−X)⋅(X−M)=0 を用いて接点全体の平面を出す。円 C はその平面で球を切った円であり、中心は M からその平面へ下ろした垂線の足、半径は球の半径と中心から平面までの距離から求める。

解答

球の中心を M=(3,2,1) とする。点 P(−1,6,3) について P−M=(−4,4,2),∣P−M∣=6 である。

接点を X=(x,y,z) とする。球面上の接線は接点における半径と垂直であるから、直線 PX が球に接する条件は (P−X)⋅(X−M)=0 である。ここで X は球面上にあるので ∣X−M∣=1 である。したがって (P−M)⋅(X−M)=∣X−M∣2=1 となる。よって接点全体が含まれる平面 α は −4(x−3)+4(y−2)+2(z−1)=1 である。整理すると 4x−4y−2z−1=0 である。

円 C の中心 A は、球の中心 M から平面 α に下ろした垂線の足である。平面条件は (P−M)⋅(X−M)=1 であり、∣P−M∣2=36 だから、M から P−M 方向に 1/36 だけ進めばよい。したがってA=M+136(P−M)=(269,199,1918).また、M から平面 α までの距離は 1∣P−M∣=16 である。球の半径は 1 なので、切り口の円の半径 r は r=12−(16)2=356 である。

別解

解法2

方針

接点 X を1つ取り、直角三角形 MPX の相似を使う。接点円の中心 A は PM と接点平面の交点なので、MA と円の半径を平面幾何だけで決め、その後に座標へ戻す。

解答

球の中心を M=(3,2,1)、接点を X とする。MP=6,MX=1,MX⊥PXである。接点全体の円の中心 A は直線 MP 上にあり、その平面は MP に垂直である。したがって AX⊥MP である。

直角三角形 MPX における射影の関係、または相似よりMA⋅MP=MX2だからMA=16.MP→=(−4,4,2) で、その長さは6である。よってA=M+MAMPMP→=M+136MP→=(269, 199, 1918).また、直角三角形 MAX よりr=AX=MX2−MA2=356.平面は A を通り、法線ベクトルMP→=(−4,4,2) をもつ。したがって−4(x−269)+4(y−199)+2(z−1918)=0,すなわち4x−4y−2z−1=0.

総評

難度6、計算量5。接点全体を直接追わず、接点条件から平面を出すのが要点である。中心 A は球の中心ではなく、球の中心から接点平面へ下ろした垂線の足である。 2解法の最終値を照合し、境界条件・符号・定義域も確認した。

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出典: 東北大学 1996年度 前期日程 文系 第3問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。