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東北大学 2026年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第6問

A, B, C, D, O, P, Qは空間内の7点である。
そのうち6点A, B, C, D, O, Pは相異なり,
5点A, B, C, D, Pはある球面S上にある。
また,点Qは直線CD上にある。さらに,ある実数a, bに対し,次が成り立つとする。OP→=a OA→,OQ→=b OB→,a∣OA→∣2=b∣OB→∣2以下の問いに答えよ。

(1) 点Qは3点A, B, Pが定める平面α上にあることを示せ。

(2) 点Qは点Cまたは点Dに等しいことを示せ。

難易度8/ 10計算量5/ 10目安25分

ベクトル、図形と方程式、論証・証明 図形的解釈、座標設定、必要十分条件、円の性質

方針

ベクトルの等式 OP→=aOA→,OQ→=bOB→ から,O,A,P が一直線上,O,B,Q が一直線上にあることを読む。平面 α は A,B,P を通るので,まず O がこの平面に含まれることを示せば,直線 OB 上の点 Q も平面 α に含まれる。後半は,点 O を原点とする球面の方程式を ∣x∣2+u⋅x+v=0 とおき,直線 OA,OB との交点のパラメータを根と係数の関係で調べる。与えられた等式から Q も球面上にあることを示し,直線 CD と球面の交点が高々2点であることを使う。

解答

(1) 点 O を基準にして,OA→=A,OB→=B,OP→=P,OQ→=Qとおく。条件より P=aA,Q=bB である。

まず P=aA より,点 O,A,P は一直線上にある。問題の条件で A,B,C,D,O,P は相異なる点であるから,A と P は異なり,直線 AP は確かに定まる。また,O はこの直線 AP 上にある。平面 α は点 A,B,P を通る平面なので,直線 AP を含む。したがって O∈α である。

さらに B∈α であり,O∈α であるから,直線 OB は平面 α に含まれる。ところが Q=bB より,点 Q は直線 OB 上にある。したがって Q∈α である。

(2) 点 O を原点とみなして考える。球面 S は,適当なベクトル u と実数 v を用いて ∣x∣2+u⋅x+v=0 と書ける。ただし,x は点の位置ベクトルであり,O が球面上にあるとは限らないので定数項 v は残しておく。

直線 OA 上の点は x=tA と表せる。これを球面の方程式に代入すると ∣A∣2t2+(u⋅A)t+v=0 である。この2次方程式の根は,直線 OA と球面 S との交点を表す。点 A は t=1,点 P は P=aA だから t=a に対応する。したがって根は 1 と a である。なお A≠O なので ∣A∣2>0 である。

根と係数の関係より 1⋅a=v∣A∣2 であるから,v=a∣A∣2 を得る。

同様に,直線 OB 上の点を x=tB とおくと,球面との交点を表す方程式は ∣B∣2t2+(u⋅B)t+v=0 である。点 B は球面上にあり,また B≠O なので ∣B∣2>0 である。よって t=1 はこの2次方程式の根である。もう一つの根を t=t0 とすると,根と係数の関係より t0=v∣B∣2 である。

一方,問題の条件より a∣OA→∣2=b∣OB→∣2 であり,先ほど得た v=a∣A∣2 を用いると v=b∣B∣2 である。したがって t0=v∣B∣2=b である。つまり,直線 OB と球面 S との交点の一つは t=b に対応する点であり,これは Q=bB で表される点 Q である。よって Q∈S である。

ここで,問題の条件より Q は直線 CD 上にある。また,C,D は球面 S 上の相異なる点である。直線 CD と球面 S の交点は,高々2点である。すでに C,D という2つの相異なる交点があるため,同じ直線 CD 上で球面 S に属する点 Q は,そのどちらかと一致しなければならない。

したがって Q=C または Q=D である。

総評

難易度は8/10で,理系では20〜25分を見込む完答者の少ない差がつく証明問題である。(1)は OP→=aOA→ から O∈AP⊂α,続いて OQ→=bOB→ から Q∈OB⊂α と論理を一段ずつ積む。(2)は一般の球面方程式に直線 OA,OB を代入し,交点を表す2次方程式の根の積を比較するのが核心である。球面が O を通ると誤認して定数項を0にすること,結論 Q∈α を仮定して書き始めること,直線と球面の交点が高々2点である理由を使わず結論へ飛ぶことが典型的な失点になる。時間がなければ(1)を確実に取り,(2)は Q∈S を示すところまででも答案に残したい。

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出典: 東北大学 2026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。