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)、 ・・・B H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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