方針
各垂線条件を、対応する直線の方向ベクトルとの内積が0である条件として書く。 から への垂線で を で表し、 から への垂線で を で表す。これにより の1次漸化式を得る。極限は収束する1次漸化式の不動点として求め、最後に極限点を結ぶベクトルが両方向ベクトルに垂直であることを内積で確認する。
解答
まず必要な内積を計算しておく。 である。
(1) 、 である。 は直線 に垂直なので、 の方向ベクトル と垂直である。したがってである。内積を代入すると なので である。
次に、 は直線 に垂直なので、 の方向ベクトル と垂直である。したがってである。内積を代入すると だから である。先ほどの を代入して を得る。
(2)
(1) より である。係数 の絶対値は より小さいので、 は収束する。極限を とすると である。したがって より である。
また なので、 の極限 は である。
(3) である。直線 が と直交することを示すには、 を示せばよい。実際、である。、 を代入すると である。
同様に、直線 が と直交することを示すには、 を示せばよい。であり、 である。したがって直線 は2直線 の両方と直交する。
別解
解法2
方針
垂線の足を直交射影の公式として求める。(1) の漸化式を不動点との差へ直し、 の一般項まで求めて収束を確認する。(3) は極限で残る2本の射影条件をそのまま内積0の式として用いる。
解答
必要な内積はである。
(1)
点 を直線 へ正射影するとき、その係数は次に を直線 へ正射影すると(2)
不動点は だから よりさらにしたがって(3)
各段階の正射影条件は一般項から両数列は収束するので、 とすれば左のベクトルは であるから、直線 は の両方に直交する。
総評
ねじれの位置にある2直線への交互射影が共通垂線へ収束することを示す問題。目安時間は22〜28分。公式講評では、方向ベクトルと直線上の点の位置ベクトルの混同、不要に複雑なベクトルの選択、(3)で根拠なく内積を0とする答案が問題視されている。各垂線条件を対応する方向ベクトルとの内積0として書き、極限を取れる根拠として収束も先に示す。