Evolton

東北大学 2022年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第5問

座標空間内において,ベクトルa=(1,2,1),b=(1,1,1),c=(0,0,1)が定める2直線l:sa,l:tb+c(s,tは実数)を考える。
A1を原点(0,0,0)とし,点A1から直線lに下ろした垂線をA1B1とおく。
次に,点B1(t1b+c)から直線lに下ろした垂線をB1A2とおく。
同様に,点Ak(ska)から直線lに下ろした垂線をAkBk
Bk(tkb+c)から直線lに下ろした垂線をBkAk+1とする
手順を繰り返して,点An(sna)
Bn(tnb+c)nは正の整数)を定める。

(1) snを用いてsn+1を表せ。

(2) 極限値S=limnsn,T=limntnを求めよ。

(3) (2)で求めたS,Tに対して,
A,BをそれぞれA(Sa),B(Tb+c)とおくと,
直線ABは2直線l,lの両方と直交することを示せ。

難易度6/ 10計算量5/ 10目安20

ベクトル数列 内積の利用漸化式の変形極限計算

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。An=sna から l への垂線で tnsn で表し、Bn=tnb+c から l への垂線で sn+1tn で表す。これにより sn 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。 ab=11+21+1(1)=2, a2=12+22+12=6,b2=12+12+(1)2=3,ca=1,cb=1である。

(1) An=snaBn=tnb+c である。AnBn は直線 l に垂直なので、l の方向ベクトル b と垂直である。したがって(snatnbc)b=0である。内積を代入すると 2sn3tn+1=0 なので tn=2sn+13 である。

次に、BnAn+1 は直線 l に垂直なので、l の方向ベクトル a と垂直である。したがって(tnb+csn+1a)a=0である。内積を代入すると 2tn+16sn+1=0 だから sn+1=2tn+16 である。先ほどの tn を代入して sn+1=22sn+13+16=4sn+518 を得る。

(2)
(1) より sn+1=29sn+518 である。係数 29 の絶対値は 1 より小さいので、sn は収束する。極限を S とすると S=4S+518 である。したがって 18S=4S+5 より S=514 である。

また tn=2sn+13 なので、tn の極限 TT=2S+13=2514+13=47 である。

(3) AB=Tb+cSaである。直線 ABl と直交することを示すには、ABa=0 を示せばよい。実際、ABa=T(ba)+caSa2=2T+16Sである。S=514T=47 を代入すると 2T+16S=87+13014=87+1157=0 である。

同様に、直線 ABl と直交することを示すには、ABb=0 を示せばよい。ABb=Tb2+cbS(ab)=3T12Sであり、3T12S=12711014=127157=0 である。したがって直線 AB は2直線 l,l 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、sn,tn 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ab=2,a2=6,b2=3,ca=1,cb=1である。

(1)
sna を直線 tb+c へ正射影するとき、その係数はtn=b(snac)b2=2sn+13.次に tnb+c を直線 sa へ正射影するとsn+1=a(tnb+c)a2=2tn+16=4sn+518.(2)
不動点は 5/14 だからsn+1514=29(sn514).s1=0 よりsn=514{1(29)n1}.さらにtn=2sn+13=47521(29)n1.したがってS=514,T=47.(3)
各段階の正射影条件は(tnb+csna)b=0,(tnb+csn+1a)a=0.一般項から両数列は収束するので、n とすれば(Tb+cSa)b=0,(Tb+cSa)a=0.左のベクトルは AB であるから、直線 ABl,l 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。

冊子PDFで見る東北大のベクトルの問題で問題集を作る

出典: 東北大学 2022年度 前期 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。