方針
光線を 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、 として 平面との交点を求める。
解答
原点から方向ベクトル に進む光線は と表せる。球の中心を とすると、球との交点は を満たす。すなわち である。整理すると であり、 となる。よって である。最初に球面に当たるのは の点なので、反射点は である。
反射点における法線方向は である。これを とおき、入射方向を とおくと である。反射後の方向 は、法線方向成分を反転させたものだからである。
したがって反射後の光線は である。 平面との交点では だから である。よって交点はである。
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
入射光線をとおく。球の方程式へ代入するとよって先に到達する を採用し、反射点はである。
球の中心を とし、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、反射後の方向はと書ける。法線方向成分は符号だけが反転するから、 よりしたがって である。よって反射後の光線は より なので、 平面との交点は
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。