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東北大学 2017年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第6問

座標空間で,原点O(0,0,0)を中心とする半径1の球面上に3点A(15,b,c),B(0,1,0),C(0,0,1)をとる。ここでb,cbc<0を満たす実数とする。原点Oを通り,OAに垂直な平面をαとする。B,Cからαに下ろした垂線をそれぞれBD,CEとする。

(1) 内積ODOEと,大きさOD,OEb,cを用いて表せ。

(2) ODOEのなす角をθ0θπ)とする。cosθの最大値と,最大値を与える点Aの座標を求めよ。

難易度7/ 10計算量6/ 10目安31

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

平面αOAを法線にもつ原点通過平面である。したがってD,EB,Cをその法線方向に正射影した点であり,OD=OB(OBOA)OAOE=OC(OCOA)OAと表す。(2)はb2+c2=4/5bc<0を使ってcosθb2,c2で表し,積b2c2が最大のときを調べる。

解答

(1) a=OA=(15,b,c) とおく。Aは半径1の球面上にあるからa=1である。また平面αは原点を通り,aに垂直な平面である。

Bからαへ下ろした垂線の足Dは,Ba方向に正射影して引いた点である。OBa=bだから OD=OBba である。同様にOCa=cより OE=OCca である。

したがってODOE=(OBba)(OCca)=bcである。またOD2=OB2b2=1b2,OE2=OC2c2=1c2よりOD=1b2,OE=1c2である。

(2) Aが単位球面上にあるので 15+b2+c2=1 すなわち b2+c2=45 である。またbc<0よりbc>0である。したがってcosθ=ODOEODOE=bc(1b2)(1c2)である。 u=b2v=c2とおくと u+v=45,u>0,v>0 であり,cos2θ=uv(1u)(1v)=uv1(u+v)+uv=uv15+uvである。この式はuvが大きいほど大きくなる。和u+v=4/5が一定なので,uvu=v=25 のとき最大となる。

このとき cosθ=2/53/5=23 である。bc<0よりb,cの符号は反対でなければならない。したがって最大値を与える点A(15,25,25),(15,25,25)であり,最大値は 23 である。

別解

解法2

方針

単位法線から垂線の足を直接求める。(2)ではb2+c2=4/5を三角関数で表し,cosθsin2ϕの増加関数へ変形する。

解答

(1) 単位法線をn=(1/5,b,c)とする。平面αnx=0で,Bn=bCn=cだからD=Bbn,E=Ccn,ODOE=bc,OD=1b2,OE=1c2.(2) b2+c2=4/5bc<0である。一方の符号配置をb=25cosϕ,c=25sinϕ(0<ϕ<π/2)と表し,s=sin2ϕとおく。このときbc=25s,(1b2)(1c2)=15+425s2,cosθ=2s5+4s2.0<s1で右辺は増加するから,最大はs=1,すなわちb2=c2=2/5のときである。よってmaxcosθ=23,A=(15,±25,25).

総評

難度7,計算量6。目安時間は31分。平面への正射影をベクトルで表せるかが中心である。D,Eの座標を直接求めるより,法線方向成分を引く形にすると内積と長さが短く計算できる。(2)ではb2+c2=4/5bc<0を同時に使い,cosθが正であることを確認する。最後は和一定の積最大でb2=c2を得るが,符号条件により2点に分かれる点まで書く必要がある。

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出典: 東北大学 2017年度 後期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。