方針
点 は正四面体の4頂点の重心であり、 が成り立つ。対称性から4本の長さは等しく、異なる2本の内積も等しいとして、和が0である条件と辺の長さ1である条件から求める。(2)では とおき、 を だけの式にする。正四面体内で は重心で最小、頂点で最大になる。
解答
(1)
定義より は4頂点の重心である。したがってである。正四面体の対称性より とおき、異なる2頂点へのベクトルの内積を とおくことができる。
上の和と の内積を取ると である。また辺 の長さは1なのでである。この2式を解くと である。したがって であり、 である。
(2) とおく。このとき であり、他の頂点についても同様である。よってである。最後の和は なので消える。また(1)より各 は である。したがって である。
点 が正四面体の表面および内部を動くとき、 の最小値は のときの0である。また、任意の内部点は頂点の凸結合で表されるので、 は頂点までの距離 を超えない。最大は頂点で達成される。
したがって であり、 である。よって である。
別解
解法2
方針
重心 を原点とする対称な座標を4頂点に与える。(2)では を頂点の凸結合で表し、距離平方和を に帰着する。
解答
を原点とし、4頂点をとおく。どの2頂点間の距離も1であり、4ベクトルの和は0なので、この配置の原点が である。
(1)
座標からよって(2)、4頂点の位置ベクトルを と書くと のとき だからまた は頂点の凸結合と表せる。したがって等号は が頂点のときに成り立つので
総評
難度5、目安時間20分。正四面体の対称性を使い、重心から各頂点へのベクトルの長さと相互の内積を2つの未知数で置くと計算が短い。(2)では への距離の二乗和が、重心から までの距離だけで決まる形に変形される。最大値は頂点で、最小値は重心で達成されることを、凸結合または対称性で説明すると十分である。