京大理系数学'24年前期[3]

座標空間の4OABC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xy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xy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。

4OABCが同一平面上にないので、1次独立です。 ・・・()
 ・・・@
 ・・・A
また、 ・・・B
 ・・・C
直線PX上の点をRt 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Ss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st が存在し、D,Eより、
()より、
 ・・・F
 ・・・G
 ・・・H
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xyに関する必要十分条件は、 ......[]

[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 4PQXYが同一平面上にある となる実数st が存在する(ベクトルの1次独立を参照)

@,A,Bより、


()より1次独立です。ここで、
とすると、

()より、
 ・・・K
 ・・・L
 ・・・M
Kより、
Lより、
Mより、
よって、となる実数
st が存在するためには、
逆にのとき、となる
st 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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