ベクトル内積の最小値を求める(東京都立大2020理学部第2問)

O を原点とする座標平面の xx 軸上に点 A があり,第1象限に点 B がある。A の xx 座標は正であるとし,∠OAB=π3\cfrac{\pi}{3},∠AOB=π4\cfrac{\pi}{4},AB = 2 とする。原点 O から直線 AB に下ろしたセ垂線を OC とし,点 B から直線 OA に下ろした垂線を BD とする。以下の問いに答えなさい。(東京都立大2020)

(1) 線分 OA,OB の長さを求めなさい。

(2) 点 C の座標を求めなさい。

(3) 実数 tt は 0<t<10<t<1 の範囲を動くとする。線分 AB を t:(1t)t:(1-t) に内分する点を Pt\text{P}_t とし,線分 CD を (1t):t(1-t):t に内分する点を Qt\text{Q}_t とする。内積 OPtOQt\overrightarrow{\text{OP}_t}\cdot\overrightarrow{\text{OQ}_t} の最小値を求めなさい。また,そのときの tt の値を求めなさい。

三角比から辺の長さを求める

(1)から始めます。

ここは計算式を立てるより,辺の比が 1:2:31:2:\sqrt{3} と 1:1:21:1:\sqrt{2} の直角三角形を作った方が話が早いでしょう。
上の図より

OA=1+31+\sqrt{3}
OB=6\sqrt{6} (答え)

さらに三角比を用いる

(2)に進みます。

これも(1)と同じで,△OAC は辺の比が 1:2:31:2:\sqrt{3} の直角三角形になることを利用した方が良いでしょう。OA の長さが 1+31+\sqrt{3} であることから,他の 2 つの辺の長さもすぐに求められます。

OA=1+31+\sqrt{3} より

OA:OC=2:32:\sqrt{3}

OC=32\cfrac{\sqrt{3}}{2} OA
=32(1+3)=\cfrac{\sqrt{3}}{2}(1+\sqrt{3})
=3+32=\cfrac{3+\sqrt{3}}{2}

よって

OC:CD=2:12:1
CD=12\cfrac{1}{2} OC
=123+32=\cfrac{1}{2}\cdot\cfrac{3+\sqrt{3}}{2}
=3+34=\cfrac{3+\sqrt{3}}{4}

また

OC:OD=2:32:\sqrt{3}
OD=32\cfrac{\sqrt{3}}{2} OC
=323+32=\cfrac{\sqrt{3}}{2}\cdot\cfrac{3+\sqrt{3}}{2}
=3+334=\cfrac{3+3\sqrt{3}}{4}

したがって,点 C の座標は

(3+334,3+34)\Big(\cfrac{3+3\sqrt{3}}{4},\cfrac{3+\sqrt{3}}{4}\Big) (答え)

平方完成して最小値を求める

(3)に進みます。

ここは内分点を求め,そこから内積を求めます。作業は難しくないので,地道に計算式を作っていきましょう。

内分点の式は

OPt=(1t)OA+tOB\overrightarrow{\text{OP}_t}=(1-t)\overrightarrow{\text{OA}}+t\overrightarrow{\text{OB}}
OQt=tOC+(1t)OD\overrightarrow{\text{OQ}_t}=t\overrightarrow{\text{OC}}+(1-t)\overrightarrow{\text{OD}}

内積の式は

OPtOQt={(1t)OA+tOB}{tOC+(1t)OD}\overrightarrow{\text{OP}_t}\cdot\overrightarrow{\text{OQ}_t}=\{(1-t)\overrightarrow{\text{OA}}+t\overrightarrow{\text{OB}}\}\{t\overrightarrow{\text{OC}}+(1-t)\overrightarrow{\text{OD}}\}
=(tt2)OAOC+(1t)2OAOD+t2OBOC+(tt2)OBOD=(t-t^2)\overrightarrow{\text{OA}}\cdot\overrightarrow{\text{OC}}+(1-t)^2\overrightarrow{\text{OA}}\cdot\overrightarrow{\text{OD}}+t^2\overrightarrow{\text{OB}}\cdot\overrightarrow{\text{OC}}+(t-t^2)\overrightarrow{\text{OB}}\cdot\overrightarrow{\text{OD}} ・・・①

計算ヤバい。
面倒だね。計算ミスがないように,とにかく丁寧に。

OA=(1+3,0)\overrightarrow{\text{OA}}=(1+\sqrt{3},0)
OB=(3,3)\overrightarrow{\text{OB}}=(\sqrt{3},\sqrt{3})
OC=(3+34,3+34)\overrightarrow{\text{OC}}=\Big(\cfrac{3+\sqrt{3}}{4},\cfrac{3+\sqrt{3}}{4}\Big)
OD=(3,0)\overrightarrow{\text{OD}}=(\sqrt{3},0)

よって

OAOC=(1+3)3+334+33+34\overrightarrow{\text{OA}}\cdot\overrightarrow{\text{OC}}=(1+\sqrt{3})\cdot\cfrac{3+3\sqrt{3}}{4}+\sqrt{3}\cdot\cfrac{3+\sqrt{3}}{4}
=14(33+9+33+3)=\cfrac{1}{4}(3\sqrt{3}+9+3\sqrt{3}+3)
=14(12+63)=\cfrac{1}{4}(12+6\sqrt{3})
=3+332=3+\cfrac{3\sqrt{3}}{2}
OAOD=3(1+3)=3+3\overrightarrow{\text{OA}}\cdot\overrightarrow{\text{OD}}=\sqrt{3}(1+\sqrt{3})=3+\sqrt{3}
OBOC=33+334+33+34\overrightarrow{\text{OB}}\cdot\overrightarrow{\text{OC}}=\sqrt{3}\cdot\cfrac{3+3\sqrt{3}}{4}+\sqrt{3}\cdot\cfrac{3+\sqrt{3}}{4}
=14(33+9+33+3)=\cfrac{1}{4}(3\sqrt{3}+9+3\sqrt{3}+3)
=14(12+63)=3+332=\cfrac{1}{4}(12+6\sqrt{3})=3+\cfrac{3\sqrt{3}}{2}
OBOD=33=3\overrightarrow{\text{OB}}\cdot\overrightarrow{\text{OD}}=\sqrt{3}\cdot\sqrt{3}=3

①に代入すると

OPtOQt=(tt2)(3+332)+(12t+t2)(3+3)+t2(3+332)+(tt2)3\overrightarrow{\text{OP}_t}\cdot\overrightarrow{\text{OQ}_t}=(t-t^2)\Big(3+\cfrac{3\sqrt{3}}{2}\Big)+(1-2t+t^2)(3+\sqrt{3})+t^2\Big(3+\cfrac{3\sqrt{3}}{2}\Big)+(t-t^2)\cdot3
=3t+332t3t2332t2+36t+3t2+323t+3t2+3t2+332t2+3t3t2=3t+\cfrac{3\sqrt{3}}{2}t-3t^2-\cfrac{3\sqrt{3}}{2}t^2+3-6t+3t^2+\sqrt{3}-2\sqrt{3}t+\sqrt{3}t^2+3t^2+\cfrac{3\sqrt{3}}{2}t^2+3t-3t^2
=3t232t+3+3=\sqrt{3}t^2-\cfrac{\sqrt{3}}{2}t+3+\sqrt{3}

最小値を求めるために,式を平方完成します。

=3(t212t)+3+3=\sqrt{3}\Big(t^2-\cfrac{1}{2}t\Big)+3+\sqrt{3}
=3(t14)2316+3+3=\sqrt{3}\Big(t-\cfrac{1}{4}\Big)^2-\cfrac{\sqrt{3}}{16}+3+\sqrt{3}
=3(t14)2+3+15316=\sqrt{3}\Big(t-\cfrac{1}{4}\Big)^2+3+\cfrac{15\sqrt{3}}{16}

したがって

最小値は t=14t=\cfrac{1}{4} のとき 3+153163+\cfrac{15\sqrt{3}}{16} (答え)