京都大学理系 2025 年・第 4 問

座標空間の は同一平面上にないとする。 でない実数とする。直線 上の点 ,直線 上の点 ,直線 上の点 を, が成り立つようにとる。

(1) を満たす範囲であらゆる値をとるとき, の定める平面 は, の値に無関係な一定の点 を通ることを示せ。さらに,そのような点 はただ つに定まることを示せ。

(2) 四面体 の体積を とする。(1) における点 について,四面体 の体積を を用いて表せ。

平面 上の点がみたす式

とおきます。 点が同一平面上にないので、空間のどの点 とただ 通りに表せる。

が平面 上にあるのは、 と書けるときです。 などを入れて係数を比べると、 となります。

条件は つにまとまる。平面 は、この式をみたす点の集まりです。

の点はどの平面にも乗る

与えられた式 で割ると、 です。

平面の式と見比べると、 が何であっても式をみたす。この点を とすれば、 はすべての平面 の上にあります。

たとえば では で、平面 は平面 と平行になる。この平面の点は係数の和が で、 の係数の和 です。

定点は のほかにない

定点 )があれば、それは次の つの組の平面すべてに乗ります。 で、どれも条件の式をみたす組です。

平面に乗る条件は、順に です。 つ目を 倍して つ目を引くと で、 となる。

つ目から つ目から で、 です。 枚の平面が共有する点は しかなく、定点はただ つに決まる。

(2) の高さは の半分で、体積は

となる点 をとると、 です。係数の和が だから、 は平面 上にある。

は直線 の先へ延ばしたところにあり、 です。平面 までの距離も、 になります。

四面体 と四面体 は底面 が共通で、高さの比が です。体積は となる。

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