方針
点 は を基準に だけ動いた点なので,平面 上にある。平面内で を原点, を2つの基準方向とすると, と見なせる。(1) はこの平面内の面積比を体積比へ移す。(3) は 上と 上の2通りで を表し,係数比較する。正四面体の場合は ,相互の内積が であることを用いて を計算する。
解答
(1)
点 は を満たすので,平面 上にある。平面 内で,点 を原点, と を基準の2方向として座標を考える。このとき と表せる。
図は平面 内の斜交座標を模式的に描いたものである。 は三角形 の外にあり、四角形の頂点順は となる。
三角形 の面積は,この座標で に対応する。一方,四角形 の面積は,頂点を の順に見て,三角形 と三角形 に分けると である。したがって である。よって である。
四角錐 と四面体 は,頂点 から平面 への高さが同じである。したがって体積比は底面積比に等しく,四角錐 の体積は である。
(2) であるからである。したがってより である。
(3)
点 は線分 上にあるので,ある実数 を用いてと表せる。すなわち である。
一方,点 は線分 上にもある。線分 上の点は の係数の和が1で, の成分をもたない形で表される。したがって上の式で の係数が0でなければならない。よって から である。したがって である。これは係数がどちらも 以上で和が1なので,確かに線分 上の点を表している。ゆえに である。
(4)
四面体 が1辺の長さ1の正四面体であるから であり,また三角形 はすべて正三角形なので である。(2)より だからである。したがって である。
総評
難度5、計算量5、想定時間20分。公式の出題意図は、空間ベクトルの典型設定を正確に読み、論証を破綻なく進めることにある。平面 内で を原点、 を基準方向にすると となり、体積比・交点・位置ベクトルを一つの図で管理できる。(3) は が線分の範囲に入り、 となることまで確認する。(4) は正四面体の辺ベクトル間の内積 を用い、交差項を落とさず計算する。