第3問
次の に適する式または数値を、解答用紙の同じ記号のついた
の中に記入せよ。
Oを原点とするxyz空間内の4点A(1,0,2)、B(2,1,0)、C(1,6,-1)、
D(2,3,1)を考える。線分ABの長さは ア 、cos∠AOB= イ であり、
△OABの面積は ウ である。
△OABを含む平面を$\small\sf{\alpha}$ とする。点Cから$\small\sf{\alpha}$ におろした垂線と$\small\sf{\alpha}$ との交点をH
とする。$\small\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf OH}=s\overrightarrow{\sf OA}+t\overrightarrow{\sf OB}\end{align*}}$ とおくと、s= エ 、t= オ であり、線分CHの長
さは カ である。四面体OABCの体積は キ である。
点Dを通り、平面$\small\sf{\alpha}$ に平行な平面を$\small\sf{\beta}$ とする。$\small\sf{\beta}$ と直線CHの交点をEとすると、
$\small\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf CH}\end{align*}}$ と$\small\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf DE}\end{align*}}$ の内積は ク であり、Eは線分CHを ケ の比に内分する。
$\small\sf{\beta}$ と△ABCが交わってできる線分の長さは コ である。
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【解答】
ア $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \sqrt6\end{align*}}$ イ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{2}{5}\end{align*}}$ ウ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{\sqrt{21}}{2}\end{align*}}$ エ -1 オ 2
カ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \sqrt{21}\end{align*}}$ キ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{7}{2}\end{align*}}$ ク 0 ケ 4:3 コ $\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{4}{7}\sqrt6\end{align*}}$
【解説】
ア
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf AB=\sqrt{1^2+1^2+2^2}=\underline{\sf \sqrt6}\end{align*}}$
イ
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf |\overrightarrow{\sf OA}|=\sqrt{1^2+0+2^2}=\sqrt5\ \ ,\ \ |\overrightarrow{\sf OB}|=\sqrt{2^21^2+0}=\sqrt5\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf OA}\cdot\overrightarrow{\sf OB}=2+0+0=2\end{align*}}$
より、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \cos\angle AOB=\frac{\overrightarrow{\sf OA}\cdot\overrightarrow{\sf OB}}{|\overrightarrow{\sf OA}||\overrightarrow{\sf OB}|}=\frac{2}{\sqrt5\cdot \sqrt5}=\underline{\sf \frac{2}{5}}\end{align*}}$
ウ
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \triangle OAB=\frac{1}{2}\sqrt{|\overrightarrow{\sf OA}|^2|\overrightarrow{\sf OB}|^2-\left(\overrightarrow{\sf OA}\cdot\overrightarrow{\sf OB}\right)^2}=\frac{1}{2}\sqrt{5\cdot 5-2^2}=\underline{\sf \frac{\sqrt{21}}{2}}\end{align*}}$
エオ
$\scriptsize\sf{\begin{align*}\sf \overrightarrow{\sf CH}&=\sf \overrightarrow{\sf OH}-\overrightarrow{\sf OC}\\ &=\sf s\overrightarrow{\sf OA}+t\overrightarrow{\sf OB}-\overrightarrow{\sf OC}\\ &=\sf \left(s+2t-1\ ,\ t-6\ ,\ 2s+1\right)\end{align*}}$
であり、平面$\scriptsize\sf{\alpha}$ ⊥CHなので、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf CH}\bot\overrightarrow{\sf OA}\ \ \Leftrightarrow\ \ \overrightarrow{\sf CH}\cdot\overrightarrow{\sf OA}=s+2t-1+2\left(2s+1\right)=0\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf CH}\bot\overrightarrow{\sf OB}\ \ \Leftrightarrow\ \ \overrightarrow{\sf CH}\cdot\overrightarrow{\sf OB}=2\left(s+2t-1\right)+t-6=0\end{align*}}$
これら2式を連立させて解くと、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \underline{\sf s=-1\ ,\ t=2}\end{align*}}$
カ
このとき、$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf CH}=\left(2\ ,\ -4\ ,\ -1\right)\end{align*}}$ なので、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf |\overrightarrow{\sf CH}|=\sqrt{2^2+\left(-4\right)^2+\left(-1\right)^2}=\underline{\sf \sqrt{21}}\end{align*}}$
キ
ウとキより、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \frac{1}{3}\cdot\frac{\sqrt{21}}2{\cdot\sqrt{21}=}\underline{\sf \frac{7}{2}}\end{align*}}$
ク
$\scriptsize\sf{\alpha}$ //$\scriptsize\sf{\beta}$ と$\scriptsize\sf{\alpha}$ ⊥CHより、CH⊥$\scriptsize\sf{\beta}$ なので、CH⊥DEである。
よって、$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf CH}\cdot\overrightarrow{\sf DE}=\underline{\sf 0}\end{align*}}$
ケ
CE:HE=k:1-kとおくと、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf OE}= \overrightarrow{\sf OC}+k\overrightarrow{\sf CH}=\left(2k+1 , -4k+6 , -k-1\right)\end{align*}}$
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf DE}= \overrightarrow{\sf OE}-\overrightarrow{\sf OD}=\left(2k-1 , -4k+3 , -k-2\right)\end{align*}}$
一方、DE//$\scriptsize\sf{\alpha}$ より、実数u、vを用いて
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf \overrightarrow{\sf DE}=u\overrightarrow{\sf OA}+v\overrightarrow{\sf OB}=\left(u+2v,v,2u\right)\end{align*}}$
とも表すことができる。
これら2式の成分を比較すると、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf 2k-1=u+2v\ ,\ -4k+3=v\ ,\ -k-2=2u\end{align*}}$
となり、これらを連立させて解くと、
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf k=\frac{4}{7}\end{align*}}$
になるので、EはCHを4:7の比に内分する点である。
コ
平面$\scriptsize\sf{\beta}$ と辺CA、CBとの交点をそれぞれF、Gとおくと、
$\scriptsize\sf{\alpha}$ //$\scriptsize\sf{\beta}$ より、AB//FGとなる。
よって、△CAB∽△CFGであり、相似比はCH:CEに等しいので
$\scriptsize\sf{\begin{align*} \sf FG=\frac{4}{7}\ AB=\underline{\sf \frac{4}{7}\sqrt6}\end{align*}}$
キまでは問題ないと思います。
頑張ってケを解きましょう!
テーマ:数学 - ジャンル:学問・文化・芸術
- 2018/12/08(土) 01:07:00|
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