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空間ベクトルの直線と平面〜係数の和が 1 になるところが交点

四面体 で、 が平面 と交わるのは のときです。

係数の和は 。これが になる を解くところで交点が決まります。

直線上の点として書いてから、平面の条件を当てます。未知数は 1 つだから、式も 1 つで足りる。

直線上の点として書く

直線は、通る点と方向ベクトルで決まりました。空間でも同じです。

を動かすと が直線をなぞる。ここまでは平面のときと変わりません。

この を 、、 の式に直します。すると を含んだ 3 つの係数が現れる。

平面上の条件は係数の和が 1

平面 上の点は、、、 の係数の和が になるのでした。

直線上の点の係数を足して と置けば、 についての方程式が 1 つできます。

直線上の点として t で表す

a、b、c の係数を読む

和を 1 と置いて t を解く

未知数 1 つに式 1 つ。交点は 1 つに決まります。

例:四面体で交点を求める

とします。展開すると 。

係数の和は です。これを と置きます。

から 。交点は になりました。

3 つの係数がすべて正のため、この点は三角形 の内部にあります。

例:四面体の重心を通る直線

四面体 の重心は です。直線 を伸ばしてみる。

で、係数の和は 。 と置いて です。

交点は で、三角形 の重心にあたります。

が から へ進んだので 。四面体の重心が中線を に分ける話と重なりました。

例:座標で交点を求める

、、 が作る平面と、点 を通り に平行な直線の交点を求めます。

直線上の点は 。これを 、、 で表します。

だから、 成分から係数は 。同じように 、 です。

和が になるから 、つまり で 。

交点は 。3 つの座標を足すと になり、平面 の上にあることも確かめられます。

例:交点が三角形の内部にあるか

交点が求まったら、3 つの係数の符号を見ます。すべて正なら三角形の内部。

はすべて正のため内部にあります。

なら和は で平面上ですが、負の係数があるため三角形の外側に来る。

平面と交わることと、三角形の内部で交わることは別の話です。問題文がどちらを聞いているかを読みます。

例:t が消えてしまう場合

を考えます。係数は 、、。

和は で、 が消えました。どの でも和が になります。

これは直線が平面に含まれている場合です。交点は 1 つに決まらず、直線まるごとが共有部分になる。

和が によらず 以外の値になるときは、平行で交わりません。 が消えたら、この 2 通りを見分けます。

例:どの平面に対する条件か

四面体 で、直線 を考えます。

平面 との交点は から 。 です。

同じ直線は、平面 とは原点でしか出あいません。 の係数が のまま残るからです。

どの平面に対する条件かで、立てる式が変わる。係数の和を数える相手を、とり違えないようにします。

係数の和を 1 と置く

四面体の頂点で表されているときに速い。式が 1 つで済む

平面上の点として 2 文字で置く

座標が与えられているときに使える。未知数が増えるぶん手数も増える

前者で解けるなら前者。基準になる 3 点が問題文にそろっているかを、最初に確かめます。

が平面 上にあるとき、 はいくつですか。

__RESULT__

係数の和は です。 と置くと から になります。 の係数が であることを見落とすと が出ます。

まちがえやすいところ

と に別々の係数が付いているとき、 の個数を数えまちがえる形が多い。 なら和に が入ります。

交点が平面上にあることと、三角形の内部にあることは別です。内部かどうかまで聞かれていたら、3 つの係数の符号を確かめます。

が消えたときは、交点がないのではありません。和が なら直線ごと平面に含まれ、 以外なら平行。どちらかを書き分けます。

四面体 $OABC$ で $\overrightarrow{OP}=\dfrac{1}{2}\vec{a}+t(\vec{b}+\vec{c})$ が平面 $ABC$ と交わるのは $t=\dfrac{1}{4}$ のときです。直線上の点として $t$ で表し、$\vec{a}$、$\vec{b}$、$\vec{c}$ の係数を足して $1$ と置くだけ。未知数 1 つに式 1 つで交点が決まります。四面体の重心を通る直線を伸ばすと三角形 $ABC$ の重心に届き、$OG:GP=3:1$ も同時に読める。交点が三角形の内部にあるかは係数の符号で見ます。$t$ が消えたときは、平面に含まれる場合と平行な場合の 2 通り。