方針
はどちらも交線に垂直なので,のなす角が2平面のなす角になる。三角形に余弦定理を使ってこの角を求める。点は上で,だから,各平面までの距離は線分上で一次的に変化する。(1)は球の半径と平面までの距離から切り口の面積を使う。(2)は2つの切り口面積の和を2次関数にして最大化する。
解答
(1) はいずれもに垂直であり,それぞれ平面上にある。したがってのなす角は2平面のなす角である。
三角形において である。とすると,余弦定理より だから である。よって である。
点は平面上にある。点から平面までの距離は,に対して角の反対側の高さなので である。は上で,だから,から平面までの距離は である。
半径の球を,中心から距離の平面で切ると,切り口の円の半径の2乗は である。ここではなので,切り口の面積は である。
(2)
今度は平面までの距離を考える。点は平面上にあり,点から平面までの距離は である。なので,から平面までの距離は である。
したがってである。ここでである。
平方完成するとである。はに含まれるので,最大値は であり,そのとき である。
別解
解法2
方針
交線を軸,平面を平面,直線を軸に取る。余弦定理からの角がと分かるので,を座標表示できる。各平面への距離を平面の法線との内積で直接求め,球の切り口面積を2次式として最大化する。
解答
(1) を軸,を平面,を軸とする。三角形でだから,余弦定理よりである。したがって座標をと選べる。,より平面はだから,からまでの距離はである。半径の球を中心から距離の平面で切った円の面積はなので,求める面積はである。
(2) 平面は,軸と方向ベクトルを含む。よってその単位法線ベクトルをと取れる。したがってからまでの距離はである。ゆえに2つの切り口の面積の和はではこの範囲内にあるから,であり,そのときである。
総評
難度6,計算量5。目安時間は26分。まず余弦定理で平面角がと分かることが入口である。幾何解法では線分上で平面までの距離が一次的に変わること,座標解法ではの単位法線を正しく置くことが主要な採点点になる。切り口の面積はであり,距離そのものを面積にしない。最後は平方完成との確認まで書いて完答となる。