京大理系数学'24年前期[3]
座標空間の4点O,A,B,Cは同一平面上にないとする。線分OAの中点をP,線分ABの中点をQとする。実数x,yに対して、直線OC上の点Xと、直線BC上の点Yを次のように定める。
, このとき、直線QYと直線PXがねじれの位置にあるためのx,yに関する必要十分条件を求めよ。
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解答 直線QYと直線PXがねじれの位置にない ⇔ 「直線QYと直線PXが交点をもつ、または、QY // PX」
が第一感なのですが、以下ではこれで解答しますが、かなり面倒になります。
必要十分条件については、条件・命題を参照してください。
4点O,A,B,Cが同一平面上にないので、,,は1次独立です。 ・・・(*)
また、, ・・・B
, ・・・C 直線PX上の点をR,t を実数として、B,Cより(直線のベクトル方程式を参照)、
・・・D 直線QY上の点をS,sを実数として、B,Cより、
・・・E 直線PXと直線QYが交点をもつとすると、となるs,t が存在し、D,Eより、
(*)より、
Fより、
の場合、Gが成立しなくなるので、です。
Hより、
また、のときFを満たすsは存在しません。
のときとなり交点が存在するので、交点が存在するためにはが必要です。
つまり、直線PXと直線QYが交点をもつ ⇒
逆に、のとき、
Dは、
Eは、
のとき、
より、となり交点が存在します。
よって、直線PXと直線QYが交点をもつ ⇔ ・・・I
//となるとき、となる実数kが存在するので、Cより、
(*)より、,,
よって、です。
逆にのとき、Cより、となり、//となります。
よって、// ⇔ ・・・J
I,Jより、直線QYと直線PXがねじれの位置にない ⇔ 「直線QYと直線PXが交点をもつ、または、QY // PX」 ⇔
よって、
直線QYと直線PXがねじれの位置にあるためのx,yに関する必要十分条件は、 ......[答]
[別解] 上記で面倒になったのは、直線QYと直線PXがねじれの位置にないことを、交点をもつ場合と平行になる場合で分けて考えたからです。
これをまとめて考える解法があります。最初から分かっていれば、まとめて考えた方が良いのですが、試験会場で、上記で始めてしまった場合は、そのまま解答してしまう方が良いと思います。
直線QYと直線PXがねじれの位置にない ⇔ 4点P,Q,X,Yが同一平面上にある ⇔ となる実数s,t が存在する(ベクトルの1次独立を参照)。
@,A,Bより、 (*)よりとは1次独立です。ここで、 とすると、
(*)より、
Kより、
Lより、
Mより、
よって、となる実数s,t が存在するためには、
逆にのとき、,となるs,t が存在するので、直線QYと直線PXはねじれの位置にありません。
つまり、直線QYと直線PXがねじれの位置にない ⇔ よって、直線QYと直線PXがねじれの位置にある ⇔
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