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東北大学 1997年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第1問

空間の2定点O(0, 0, 0),A(−1, 1, 1)に対し,
点P(x, y, z)は次の2条件(i),(ii)を満たしながら動くとする.

(i)  点Pは,方程式y=2xで与えられる平面上にある.

(ii)  ベクトルOA→とベクトルAP→は垂直である.

このとき,ベクトルAP→の長さの最小値と,
その最小値を与えるPの座標(x, y, z)を求めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安16分

ベクトル、図形と方程式 座標設定、内積の利用、微分による最大最小

方針

条件(i)からy=2xとおく。条件(ii)は内積OA→⋅AP→=0で表し、zをxで表す。するとPは1つの変数で表されるので、AP2をxの2次式として平方完成し、長さの最小値とそのときの座標を求める。

解答

P=(x,y,z)とする。条件(i)より y=2x である。また OA→=(−1,1,1),AP→=(x+1,y−1,z−1) である。条件(ii)より −(x+1)+(y−1)+(z−1)=0 だから −x+y+z−3=0 である。ここにy=2xを代入すると z=3−x を得る。

したがって P=(x,2x,3−x) と表される。このとき AP2=(x+1)2+(2x−1)2+(2−x)2 である。展開して平方完成すると AP2=6x2−6x+6=6(x−12)2+92 である。

よってAP2はx=12のとき最小となり、その最小値は92である。したがってAPの最小値は 32 で、そのとき P=(12,1,52) である。

別解

解法2

方針

2条件の交わりを直線 P=P0+tv として捉え、点 A からこの直線までの距離を外積公式で求める。垂線の足の媒介変数も内積から出す。

解答

条件からy=2x,−x+y+z−3=0,したがってP=(x,2x,3−x)=P0+xv,P0=(0,0,3),v=(1,2,−1).点 A=(−1,1,1) からこの直線までの距離が、求める AP の最小値である。w=A−P0=(−1,1,−2)とおくとw×v=(3,−3,−3).よって距離は∣w×v∣∣v∣=336=32.垂線の足はx=w⋅v∣v∣2=36=12のときだからP=(12,1,52).

総評

難度5、計算量4。目安時間は16分。空間図形を座標条件と内積条件に分解すれば、実質は1変数2次関数の最小化になる。長さそのものではなくAP2を最小化するのが計算を軽くする標準手順である。最後に、最小値を与えるxからy,zを戻すところまで書き切る。

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出典: 東北大学 1997年度 前期 理系 第1問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。