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東北大学 1996年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第6問

(7,6,4)を中心とする半径3の球があり,
その表面は鏡でできているものとする.
いま,方向ベクトル(3,2,1)をもつ光が原点から発射されたとする.
この光は球面のどの点で反射し,
xy平面とどの点で交わるか.
ただし,球面での光の反射はその点での法線と入射光線を含む平面内で起こり,
入射角と反射角は等しいとする.

難易度7/ 10計算量7/ 10目安30

ベクトル図形と方程式 座標設定内積の利用図形的解釈

方針

光線を (x,y,z)=t(3,2,1) とおき、球との交点を2つ求めて、原点に近い方を反射点にする。反射では、入射方向ベクトルを接点における法線方向とそれに垂直な成分に分け、法線方向成分だけ符号を反転させる。最後に反射後の直線を媒介変数表示し、z=0 として xy 平面との交点を求める。

解答

原点から方向ベクトル (3,2,1) に進む光線は (x,y,z)=t(3,2,1)(t0) と表せる。球の中心を M=(7,6,4) とすると、球との交点は t(3,2,1)M2=9 を満たす。すなわち (3t7)2+(2t6)2+(t4)2=9 である。整理すると 14t274t+92=0 であり、7t237t+46=0 となる。よって t=2,t=237 である。最初に球面に当たるのは t=2 の点なので、反射点は R=(6,4,2) である。

反射点における法線方向は RM=(1,2,2) である。これを n とおき、入射方向を d=(3,2,1) とおくと dn=9,nn=9 である。反射後の方向 d は、法線方向成分を反転させたものだからd=d2dnnnn=(3,2,1)299(1,2,2)=(1,2,3)である。

したがって反射後の光線は (x,y,z)=(6,4,2)+u(1,2,3)(u0) である。xy 平面との交点では z=0 だから 23u=0,u=23 である。よって交点は(6+23,443,0)=(203,83,0)である。

別解

解法2

方針

反射点を求めた後、反射方向は入射方向に法線方向のベクトルを加えた形になると置く。法線方向成分の符号が反転する条件から係数を1本の内積方程式で決める。

解答

入射光線を(x,y,z)=t(3,2,1)(t0)とおく。球の方程式へ代入すると7t237t+46=0,よってt=2,t=237.先に到達する t=2 を採用し、反射点はR=(6,4,2)である。

球の中心を M=(7,6,4) とし、n=MR=(1,2,2),d=(3,2,1)とする。反射の前後で接平面に平行な成分は変わらないので、反射後の方向はv=d+λnと書ける。法線方向成分は符号だけが反転するからvn=dn.dn=9nn=9 より9+9λ=9,したがって λ=2 である。よってv=(1,2,3).反射後の光線は(x,y,z)=(6,4,2)+u(1,2,3)(u0).z=0 より u=2/3 なので、xy 平面との交点は(203, 83, 0).

総評

難度7、計算量7。球との交点は2つ出るため、光が最初に到達する点を選ぶ。反射では接平面方向の成分は保たれ、法線方向成分だけが反転する。 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 理系 第6問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。