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ベクトル★★★高校数II・B・C東京大学対策

単位ベクトル3本のなす四面体の体積の最大化

by 匿名ユーザー

問題

原点をOとする座標空間において、点A, B, Cは OA=OB=OC=1|\vec{OA}|=|\vec{OB}|=|\vec{OC}|=1 を満たし、さらに OAOB=OBOC=OCOA=t\vec{OA}\cdot\vec{OB}=\vec{OB}\cdot\vec{OC}=\vec{OC}\cdot\vec{OA}=t を満たすとする(tは実数の定数)。

(1) O, A, B, Cが同一平面上にない四面体OABCを作るような実数tの範囲を求めよ。

(2) (1)の範囲のtに対して、四面体OABCの体積をV(t)とする。V(t)をtの式で表せ。

(3) V(t)を最大にするtの値と、そのときのV(t)の最大値を求めよ。

解答

(1) 12<t<1-\dfrac12<t<1

(2) V(t)=16(1t)1+2t(12<t<1)V(t)=\dfrac16(1-t)\sqrt{1+2t}\quad\left(-\dfrac12<t<1\right)

(3) t=0t=0 のとき最大値 V=16V=\dfrac16

解説

座標を設定する。 a=(1,0,0)\vec a=(1,0,0) とおいてよい。b=1, ab=t|\vec b|=1,\ \vec a\cdot\vec b=t より b=(t,s,0),s=1t2 (>0, 1<t<1)\vec b=(t,s,0),\quad s=\sqrt{1-t^2}\ (>0,\ -1<t<1) とできる(s=0s=0すなわちt=±1t=\pm1a,b\vec a,\vec b が平行になり四面体を作れないため除く)。

c=(x,y,z)\vec c=(x,y,z) とし、c=1, ac=t, bc=t|\vec c|=1,\ \vec a\cdot\vec c=t,\ \vec b\cdot\vec c=t を用いる。

ac=tx=t\vec a\cdot\vec c=t \Rightarrow x=t

bc=ttx+sy=tt2+sy=ty=t(1t)s\vec b\cdot\vec c=t \Rightarrow tx+sy=t \Rightarrow t^2+sy=t \Rightarrow y=\dfrac{t(1-t)}{s}

c2=1|\vec c|^2=1 より z2=1x2y2=1t2t2(1t)21t2=(1t2)2t2(1t)21t2z^2=1-x^2-y^2=1-t^2-\frac{t^2(1-t)^2}{1-t^2}=\frac{(1-t^2)^2-t^2(1-t)^2}{1-t^2} 分子は (1t)2{(1+t)2t2}=(1t)2(1+2t)(1-t)^2\{(1+t)^2-t^2\}=(1-t)^2(1+2t) なので z2=(1t)2(1+2t)1t2=(1t)(1+2t)1+t(1<t<1)z^2=\frac{(1-t)^2(1+2t)}{1-t^2}=\frac{(1-t)(1+2t)}{1+t}\quad(-1<t<1)

(1) 範囲の決定

1<t<1-1<t<1 では 1+t>01+t>0、また 1t>01-t>0 なので、z20z^2\ge 0 となる条件は 1+2t0    t121+2t\ge 0 \iff t\ge -\frac12 z=0z=0t=12t=-\frac12)のときは c\vec cxyxy平面上に来て O,A,B,Cは同一平面上(四面体が潰れる)。よって非退化な四面体ができる条件は 12<t<1-\frac12<t<1

(2) V(t) の計算

四面体OABCの体積は V=16det(100ts0tyz)=16szV=\frac16\left|\det\begin{pmatrix}1&0&0\\ t&s&0\\ t&y&z\end{pmatrix}\right|=\frac16|sz| ここで s2z2=(1t2)(1t)(1+2t)1+t=(1t)2(1+2t)s^2z^2=(1-t^2)\cdot\frac{(1-t)(1+2t)}{1+t}=(1-t)^2(1+2t) 12<t<1-\frac12<t<11t>0, 1+2t>01-t>0,\ 1+2t>0 なので sz=(1t)1+2t|sz|=(1-t)\sqrt{1+2t} よって V(t)=16(1t)1+2t(12<t<1)V(t)=\frac16(1-t)\sqrt{1+2t}\qquad\left(-\frac12<t<1\right)

(3) 最大値

V(t)0V(t)\ge0 なので V(t)V(t) の最大化は f(t):=36V(t)2=(1t)2(1+2t)=2t33t2+1f(t):=36V(t)^2=(1-t)^2(1+2t)=2t^3-3t^2+1 の最大化と同値。 f(t)=6t26t=6t(t1)f'(t)=6t^2-6t=6t(t-1) 定義域 12<t<1-\frac12<t<1 内での符号を調べると、

  • 12<t<0-\frac12<t<0 のとき t<0, t1<0t<0,\ t-1<0 なので f(t)>0f'(t)>0(増加)
  • 0<t<10<t<1 のとき t>0, t1<0t>0,\ t-1<0 なので f(t)<0f'(t)<0(減少)

したがって t=0t=0f(t)f(t) は極大かつ最大となる。 f(0)=1f(0)=1 よって V(0)=161=16V(0)=\frac16\sqrt{1}=\frac16

(これは a,b,c\vec a,\vec b,\vec c が互いに直交する単位ベクトルのとき、四面体OABCが単位立方体の頂点をなす三角錐であることに対応し、体積 16\frac16 と一致して妥当である。)

以上より、t=0t=0 のとき最大値 V=16V=\dfrac16

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