東大理系数学'10年前期[6]
四面体OABCにおいて、4つの面はすべて合同であり、
,
,
であるとする。また、3点O,A,Bを含む平面をLとする。
(1) 点Cから平面Lにおろした垂線の足をHとおく。
を
と
を用いて表せ。 (2)
をみたす実数tに対して、線分OA,OB各々をt:
に内分する点をそれぞれ
,
とおく。2点
,
を通り、平面Lに垂直な平面をMとするとき、平面Mによる四面体OABCの切り口の面積
を求めよ。 (3) tが
の範囲を動くとき、
の最大値を求めよ。
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解答 空間的な発想力とか思考力というよりも、面倒な計算を強いられる空間ベクトルの問題です。体力派の諸氏以外は、基本問題の(1)はともかく、実戦的には後回しにするのが無難だろうと思います。

(1) 4つの面が合同、ということで、右図のように、
∴ 
∴ 
∴ 
Hは△OABを含む平面L上の点なので、α,β を実数として、 CHは平面Lに垂直なので、
,
,よって、 
・・・@
・・・A@,Aを連立して、
,
∴
......[答]
(2)
,
ですが、直線
上の点をKとして(共線条件を参照)、
・・・BHが線分
上に位置するときのt,pの値を調べます。(1)の結果とBの係数を比較して、 Bより、
・・・Cと書けるので、
のときの点
,点
を特に点P,点Qとすると、Hは線分PQ上の点になっています。また、点Hを通り平面Lに垂直な平面は△CPQを含む平面であり、2点
,
を通り平面Lに垂直な平面Mは、(△CPQを含む平面であることを含めて)△CPQに平行です。さらに言えば、△CPQはP,Qを通る平面Mによる四面体の切り口なので、△CPQの面積は、
のときの
,つまり、
です。
従って、平面Mによる四面体OABCの切り口の面積を求めるためには、△CPQの面積を求め、相似比を考えることになります。
ここで、右図のように、△CPQと平行で辺ABを通る平面(従って平面Lに垂直)と直線OCとの交点をDとすると、△CPQと△DABは相似で、 PQ:AB = OP:OA =
:1 OP:OA = OQ:OB = OC:OD =
:1 より、
,
∴ 
∴ 
Dより、△CPQの面積
は、 (i)
,
が線分OP上、線分OQ上にあるとき(端点Oを除く)、つまり、
のときは、Dと同様に、 ∴
・・・E 注.上記で、直線OHと直線BAとの交点をEとして、Cより、
とわかるので、
∴ 
とすることもできます。
(ii)
,
が線分PA上、線分QB上にあるとき(両端を除く)、つまり、
のとき、平面Mと直線OC,直線BC,直線ACとの交点を
,
,
として、平面Mによる四面体OABCの切り口は、△
ではなく、△
から△
を取り除いてできる四角形
になります。 ∴ 
これより、△
と△
の面積の比は、 △
の面積は、
のときの
と同じ式で与えられ、
となるので、切り口の四角形
の面積
は、 以上まとめて、
......[答]
において、
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