三角形ABCにおいて、$AB = \sqrt{2}, BC = 2, CA = \sqrt{3}$とする。外心をOとするとき、$\overrightarrow{AO} = s\overrightarrow{AB} + t\overrightarrow{AC}$を満たす実数$s, t$の値を求めよ。

幾何学ベクトル外心三角形
2025/6/21

1. 問題の内容

三角形ABCにおいて、AB=2,BC=2,CA=3AB = \sqrt{2}, BC = 2, CA = \sqrt{3}とする。外心をOとするとき、AO=sAB+tAC\overrightarrow{AO} = s\overrightarrow{AB} + t\overrightarrow{AC}を満たす実数s,ts, tの値を求めよ。

2. 解き方の手順

まず、AO\overrightarrow{AO}は外心なので、AO=BO=CO|\overrightarrow{AO}| = |\overrightarrow{BO}| = |\overrightarrow{CO}|が成立する。
また、AB=2,BC=2,CA=3|\overrightarrow{AB}| = \sqrt{2}, |\overrightarrow{BC}| = 2, |\overrightarrow{CA}| = \sqrt{3}である。
BO=AOAB=(s1)AB+tAC\overrightarrow{BO} = \overrightarrow{AO} - \overrightarrow{AB} = (s-1)\overrightarrow{AB} + t\overrightarrow{AC}
CO=AOAC=sAB+(t1)AC\overrightarrow{CO} = \overrightarrow{AO} - \overrightarrow{AC} = s\overrightarrow{AB} + (t-1)\overrightarrow{AC}
AO2=BO2|\overrightarrow{AO}|^2 = |\overrightarrow{BO}|^2より、
AO2=s2AB2+2stABAC+t2AC2|\overrightarrow{AO}|^2 = s^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2st\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + t^2|\overrightarrow{AC}|^2
BO2=(s1)2AB2+2(s1)tABAC+t2AC2|\overrightarrow{BO}|^2 = (s-1)^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2(s-1)t\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + t^2|\overrightarrow{AC}|^2
s2AB2+2stABAC+t2AC2=(s1)2AB2+2(s1)tABAC+t2AC2s^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2st\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + t^2|\overrightarrow{AC}|^2 = (s-1)^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2(s-1)t\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + t^2|\overrightarrow{AC}|^2
s2AB2+2stABAC=(s1)2AB2+2(s1)tABACs^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2st\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} = (s-1)^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2(s-1)t\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}
s2AB2+2stABAC=(s22s+1)AB2+(2st2t)ABACs^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2st\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} = (s^2 - 2s + 1)|\overrightarrow{AB}|^2 + (2st - 2t)\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}
0=(2s+1)AB22tABAC0 = (-2s+1)|\overrightarrow{AB}|^2 - 2t\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}
ABAC=ABACcosA=23cosA\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} = |\overrightarrow{AB}||\overrightarrow{AC}|\cos A = \sqrt{2}\sqrt{3}\cos A
余弦定理より、
cosA=(2)2+(3)222223=2+3426=126\cos A = \frac{(\sqrt{2})^2 + (\sqrt{3})^2 - 2^2}{2\sqrt{2}\sqrt{3}} = \frac{2+3-4}{2\sqrt{6}} = \frac{1}{2\sqrt{6}}
ABAC=23126=626=12\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} = \sqrt{2}\sqrt{3}\frac{1}{2\sqrt{6}} = \frac{\sqrt{6}}{2\sqrt{6}} = \frac{1}{2}
0=(2s+1)AB22tABAC=(2s+1)(2)22t(12)0 = (-2s+1)|\overrightarrow{AB}|^2 - 2t\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} = (-2s+1)(\sqrt{2})^2 - 2t(\frac{1}{2})
0=2(2s+1)t=4s+2t0 = 2(-2s+1) - t = -4s+2-t
t=4s+2t = -4s+2
AO2=CO2|\overrightarrow{AO}|^2 = |\overrightarrow{CO}|^2より、
AO2=s2AB2+2stABAC+t2AC2|\overrightarrow{AO}|^2 = s^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2st\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + t^2|\overrightarrow{AC}|^2
CO2=s2AB2+2s(t1)ABAC+(t1)2AC2|\overrightarrow{CO}|^2 = s^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2s(t-1)\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + (t-1)^2|\overrightarrow{AC}|^2
t2AC2=2s(t1)ABAC+(t1)2AC2t^2|\overrightarrow{AC}|^2 = 2s(t-1)\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + (t-1)^2|\overrightarrow{AC}|^2
s=0s=0ではないので、
0=2s(t1)ABAC+(t2(t22t+1))AC20 = 2s(t-1)\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + (t^2 - (t^2 - 2t + 1))|\overrightarrow{AC}|^2
0=2s(t1)ABAC(2t1)AC20 = 2s(t-1)\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} - (2t - 1)|\overrightarrow{AC}|^2
0=2s(t1)(12)(2t1)(3)2=s(t1)3(2t1)0 = 2s(t-1)(\frac{1}{2}) - (2t - 1)(\sqrt{3})^2 = s(t-1) - 3(2t-1)
s(t1)=3(2t1)s(t-1) = 3(2t-1)
s(t1)=6t3s(t-1) = 6t - 3
s=6t3t1s = \frac{6t-3}{t-1}
t=4s+2t = -4s+2より、s=6(4s+2)3(4s+2)1=24s+1234s+1=24s+94s+1s = \frac{6(-4s+2)-3}{(-4s+2)-1} = \frac{-24s+12-3}{-4s+1} = \frac{-24s+9}{-4s+1}
s(4s+1)=24s+9s(-4s+1) = -24s+9
4s2+s=24s+9-4s^2 + s = -24s + 9
4s225s+9=04s^2 - 25s + 9 = 0
(4s1)(s9)=0(4s-1)(s-9) = 0
s=14s = \frac{1}{4}またはs=9s = 9
もしs=14s = \frac{1}{4}ならば、t=4(14)+2=1+2=1t = -4(\frac{1}{4})+2 = -1+2 = 1
もしs=9s = 9ならば、t=4(9)+2=36+2=34t = -4(9)+2 = -36+2 = -34
もしs=14,t=1s=\frac{1}{4}, t=1の場合、s(t1)=3(2t1)s(t-1)=3(2t-1)を満たさない。
14(11)=0\frac{1}{4}(1-1)=0, 3(21)=33(2-1)=3
もしs=9,t=34s=9, t=-34の場合、s(t1)=3(2t1)s(t-1)=3(2t-1)を満たす。
9(341)=9(35)=3159(-34-1) = 9(-35) = -315
3(2(34)1)=3(681)=3(69)=2073(2(-34)-1) = 3(-68-1) = 3(-69) = -207
よってs=14,t=1s = \frac{1}{4}, t=1
以上より、4s225s+9=04s^2 - 25s + 9 = 0
(4s1)(s9)=0(4s-1)(s-9) = 0
s=14s=\frac{1}{4}またはs=9s=9
t=4s+2t=-4s+2
もしs=14s=\frac{1}{4}ならばt=4(14)+2=1+2=1t = -4(\frac{1}{4})+2 = -1+2=1
もしs=9s=9ならばt=4(9)+2=36+2=34t = -4(9)+2 = -36+2 = -34
AO=14AB+AC\overrightarrow{AO} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AC}の場合: AO2=(14)2AB2+2(14)(1)ABAC+12AC2=116(2)+12(12)+1(3)=18+14+3=1+2+248=278|\overrightarrow{AO}|^2 = (\frac{1}{4})^2 |\overrightarrow{AB}|^2 + 2(\frac{1}{4})(1) \overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + 1^2|\overrightarrow{AC}|^2 = \frac{1}{16}(2) + \frac{1}{2}(\frac{1}{2}) + 1(3) = \frac{1}{8} + \frac{1}{4} + 3 = \frac{1+2+24}{8} = \frac{27}{8}
BO=(141)AB+1AC=34AB+AC\overrightarrow{BO} = (\frac{1}{4}-1)\overrightarrow{AB} + 1\overrightarrow{AC} = -\frac{3}{4}\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AC}の場合: BO2=916(2)+2(34)(1)(12)+1(3)=9834+3=96+248=278|\overrightarrow{BO}|^2 = \frac{9}{16}(2) + 2(-\frac{3}{4})(1)(\frac{1}{2}) + 1(3) = \frac{9}{8} - \frac{3}{4} + 3 = \frac{9-6+24}{8} = \frac{27}{8}
CO=14AB+(11)AC=14AB\overrightarrow{CO} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AB} + (1-1)\overrightarrow{AC} = \frac{1}{4}\overrightarrow{AB}の場合: CO2=(14)2(2)=116(2)=18|\overrightarrow{CO}|^2 = (\frac{1}{4})^2(2) = \frac{1}{16}(2) = \frac{1}{8}
これは不適であるため、s=9,t=34s=9, t=-34も不適である。
18=278\frac{1}{8} = \frac{27}{8}
ここで計算間違いがあったのでやり直します。
AO2=s2AB2+2stABAC+t2AC2|\overrightarrow{AO}|^2 = s^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2st\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + t^2|\overrightarrow{AC}|^2
BO2=(s1)2AB2+2(s1)tABAC+t2AC2|\overrightarrow{BO}|^2 = (s-1)^2|\overrightarrow{AB}|^2 + 2(s-1)t\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} + t^2|\overrightarrow{AC}|^2
s2(2)+2st(12)+t2(3)=(s1)2(2)+2(s1)t(12)+t2(3)s^2(2) + 2st(\frac{1}{2}) + t^2(3) = (s-1)^2(2) + 2(s-1)t(\frac{1}{2}) + t^2(3)
2s2+st+3t2=2(s22s+1)+(s1)t+3t22s^2 + st + 3t^2 = 2(s^2-2s+1) + (s-1)t + 3t^2
2s2+st=2s24s+2+stt2s^2 + st = 2s^2 - 4s + 2 + st - t
0=4s+2t0 = -4s + 2 - t
t=4s+2t = -4s + 2
AO2=s2(2)+2st(12)+t2(3)|\overrightarrow{AO}|^2 = s^2(2) + 2st(\frac{1}{2}) + t^2(3)
CO2=s2(2)+2s(t1)(12)+(t1)2(3)|\overrightarrow{CO}|^2 = s^2(2) + 2s(t-1)(\frac{1}{2}) + (t-1)^2(3)
2s2+st+3t2=2s2+s(t1)+3(t22t+1)2s^2 + st + 3t^2 = 2s^2 + s(t-1) + 3(t^2-2t+1)
st=sts+3(2t+1)st = st - s + 3(-2t+1)
0=s6t+30 = -s - 6t + 3
s=6t+3s = -6t + 3
t=4(6t+3)+2=24t12+2=24t10t = -4(-6t+3) + 2 = 24t - 12 + 2 = 24t - 10
23t=1023t = 10
t=1023t = \frac{10}{23}
s=6(1023)+3=6023+6923=923s = -6(\frac{10}{23}) + 3 = \frac{-60}{23} + \frac{69}{23} = \frac{9}{23}

3. 最終的な答え

s=923s = \frac{9}{23}
t=1023t = \frac{10}{23}

「幾何学」の関連問題

円の方程式 $(x+1)^2 + y^2 = 25$ の中心の座標と半径を求める問題です。

円の方程式座標半径
2025/6/21

この問題は、以下の4つの小問から構成されています。 (1) 点 $(1, 2, -1)$ を通り、ベクトル $(2, -1, 3)$ に直交する平面の方程式を求める問題。 (2) 点 $(0, 1, ...

ベクトル平面直線空間図形距離交点
2025/6/21

平行六面体OABC-DEFGにおいて、OA = 4, OC = OD = 2, ∠AOC = ∠COD = ∠DOA = 60° とする。線分OAをt:(1-t)に内分する点をP、線分OCの中点をQ、...

ベクトル空間図形内積平面の方程式線分共有点
2025/6/21

与えられた角錐と円錐の体積を求めます。

体積角錐円錐立体の体積図形
2025/6/21

問題は、立体の体積に関する問題と、展開図や投影図に関する問題です。ここでは、問題2の(2)にある円錐の体積を求める問題に焦点を当てて解説します。 問題文は「次の角錐や円錐の体積を求めなさい。(2)」で...

体積円錐公式半径高さ
2025/6/21

平面上に $n$ 本の直線と $n$ 個の円を描いたときに、平面がいくつの領域に分割されるかを求める問題です。ただし、直線と円は問題文中の条件を満たすように描きます。 $n$ 個の円によって分割された...

平面幾何領域分割直線組み合わせ
2025/6/21

平面上に、$n$ 個の円があり、どの2個も異なる2点で交わり、どの3個も1点で交わらないとき、平面がいくつの領域に分割されるかを考える問題です。$n$ 個の円によって平面が $b_n$ 個の領域に分割...

平面図形領域分割漸化式
2025/6/21

平面上にいくつかの直線を引き、平面がいくつの領域に分割されるかを考える問題です。特に、$n$ 本の直線を引き、どの2本も平行でなく、どの3本も1点で交わらないという条件のもとで、平面がいくつの領域に分...

平面幾何領域分割数列
2025/6/21

座標平面上に点A(1, 3)と円$K_1: x^2 + y^2 + 4x + 2y = 0$がある。円$K_1$と半径が等しく、原点Oを中心とする円を$K_2$とする。 (1) 円$K_2$の方程式を...

接線座標平面距離方程式
2025/6/21

$0 \le \theta < 2\pi$ とし、$p \ge 0$ とする。原点をOとする座標平面において、2点A, Bの座標が $A(\sin\theta + p\cos\theta, p\sin...

三角関数座標平面面積加法定理
2025/6/21