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東北大学 2018年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第5問

辺の長さが1である正四面体 ABCD と点 O を考える。OG=14(OA+OB+OC+OD)で定まる点を G とする。

(1) GAおよびGAGBを求めよ。

(2)
P は正四面体 ABCD の表面および内部を動くとする。このときL=AP2+BP2+CP2+DP2の最大値および最小値を求めよ。

難易度5/ 10計算量5/ 10目安20

ベクトル 内積の利用ベクトル成分計算、範囲評価

方針

G は正四面体の4頂点の重心であり、GA+GB+GC+GD=0 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 GP=v とおき、Lv2 だけの式にする。正四面体内で GP は重心で最小、頂点で最大になる。

解答

(1)
定義より G は4頂点の重心である。したがってGA+GB+GC+GD=0である。正四面体の対称性より GA2=ρ2 とおき、異なる2頂点へのベクトルの内積を GAGB=λ とおくことができる。

上の和と GA の内積を取ると ρ2+3λ=0 である。また辺 AB の長さは1なので1=AB2=GBGA2=2ρ22λである。この2式を解くと ρ2=38,λ=18 である。したがって GA=64 であり、GAGB=18 である。

(2) v=GP とおく。このとき AP=vGA であり、他の頂点についても同様である。よってL=X=A,B,C,DvGX2=4v2+X=A,B,C,DGX22vX=A,B,C,DGXである。最後の和は 0 なので消える。また(1)より各 GX238 である。したがって L=4v2+438=4GP2+32 である。

P が正四面体の表面および内部を動くとき、GP の最小値は P=G 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、GP は頂点までの距離 64 を超えない。最大は頂点で達成される。

したがって Lmin=32 であり、Lmax=438+32=3 である。よって Lmin=32,Lmax=3 である。

別解

解法2

方針

重心 G を原点とする対称な座標を4頂点に与える。(2)では P を頂点の凸結合で表し、距離平方和を GP2 に帰着する。

解答

G を原点とし、4頂点をA=122(1,1,1),B=122(1,1,1),C=122(1,1,1),D=122(1,1,1)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 G である。

(1)
座標からGA2=38,GAGB=1118=18.よってGA=64,GAGB=18.(2)p=GP、4頂点の位置ベクトルを vA,,vD と書くとL=X=A,B,C,DpvX2=4p2+XvX2=4p2+32.P=G のとき p=0 だからLmin=32.また P は頂点の凸結合p=λAvA+λBvB+λCvC+λDvD,λX0,XλX=1と表せる。したがってpXλXvX=38.等号は P が頂点のときに成り立つのでLmax=438+32=3.

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 P への距離の二乗和が、重心から P 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。

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出典: 東北大学 2018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。