方針
平面はを法線にもつ原点通過平面である。したがってはをその法線方向に正射影した点であり,,と表す。(2)はとを使ってをで表し,積が最大のときを調べる。
解答
(1) とおく。は半径1の球面上にあるからである。また平面は原点を通り,に垂直な平面である。
点からへ下ろした垂線の足は,を方向に正射影して引いた点である。だから である。同様により である。
したがってである。またよりである。
(2) が単位球面上にあるので すなわち である。またよりである。したがってである。 ,とおくと であり,である。この式はが大きいほど大きくなる。和が一定なので,は のとき最大となる。
このとき である。より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はであり,最大値は 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)ではを三角関数で表し,をの増加関数へ変形する。
解答
(1) 単位法線をとする。平面はで,,だから(2) ,である。一方の符号配置をと表し,とおく。このときで右辺は増加するから,最大は,すなわちのときである。よって
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。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)ではとを同時に使い,が正であることを確認する。最後は和一定の積最大でを得るが,符号条件により2点に分かれる点まで書く必要がある。