早稲田大学
2010年 人間科学学部(理系) 第5問
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四面体$\mathrm{OABC}$において,線分$\mathrm{OA}$を$2:1$に内分する点を$\mathrm{P}$,線分$\mathrm{OB}$を$3:1$に内分する点を$\mathrm{Q}$,線分$\mathrm{BC}$を$4:1$に内分する点を$\mathrm{R}$とする.この四面体を$3$点$\mathrm{P}$,$\mathrm{Q}$,$\mathrm{R}$を通る平面で切り,この平面が線分$\mathrm{AC}$と交わる点を$\mathrm{S}$とするとき,線分の長さの比$\mathrm{AS}:\mathrm{SC}$を求めることを考えよう.\\
点$\mathrm{S}$は$3$点$\mathrm{P}$,$\mathrm{Q}$,$\mathrm{R}$を通る平面上にあるから,定数$s,\ t,\ u$を用いて,
\[ \overrightarrow{\mathrm{OS}} = s \, \overrightarrow{\mathrm{OP}} + t \, \overrightarrow{\mathrm{OQ}} +u \, \overrightarrow{\mathrm{OR}} \quad (s+t+u=1) \]
と書くことができる.ここで,$\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}=\frac{\fbox{ス}\overrightarrow{\mathrm{OB}}+\fbox{セ}\overrightarrow{\mathrm{OC}}}{\fbox{ソ}}$であるから,$\overrightarrow{\mathrm{OS}}$は$\overrightarrow{\mathrm{OA}},\ \overrightarrow{\mathrm{OB}},\ \overrightarrow{\mathrm{OC}}$それぞれの定数倍の和として表すことができる.そこで,$\overrightarrow{\mathrm{OA}},\ \overrightarrow{\mathrm{OB}},\ \overrightarrow{\mathrm{OC}}$の係数をそれぞれ定数$s^{\prime},\ t^{\prime},\ u^{\prime}$とおくことにより
\[ \overrightarrow{\mathrm{OS}} = s^{\prime}\overrightarrow{\mathrm{OA}} + t^{\prime}\overrightarrow{\mathrm{OB}} +u^{\prime}\overrightarrow{\mathrm{OC}} \quad (18s^{\prime}+16t^{\prime}+11u^{\prime}=\fbox{タ}) \]
と書くことができる.ところが,点$\mathrm{S}$は線分$\mathrm{AC}$上にあることから,$s^{\prime},\ t^{\prime}\ u^{\prime}$を求めることができ,$\mathrm{AS}:\mathrm{SC}=\fbox{チ}:\fbox{ツ}$であることがわかる.
ただし,$\fbox{ソ}$,$\fbox{チ}$,$\fbox{ツ}$はできる限り小さい自然数で答えること.
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