点から平面までの距離(成分で計算)(B)
★★☆☆☆☆☆(章末問題) / 作成者: shonan / 2026/10/27
🔁 類題: 点から平面までの距離(成分で計算)(A) (★★☆☆☆☆☆(章末問題))
問題
4 点 $\mathrm{A}(1,\,0,\,0)$,$\mathrm{B}(0,\,2,\,0)$,$\mathrm{C}(0,\,0,\,3)$,$\mathrm{D}(2,\,2,\,3)$ がある.
\begin{enumerate}
\item[(1)] $\overrightarrow{\mathrm{AB}}$,$\overrightarrow{\mathrm{AC}}$ の両方に垂直なベクトル $\vec{n}$ を 1 つ求めよ.
\item[(2)] 点 $\mathrm{D}$ と平面 $\mathrm{ABC}$ の距離 $h$ を求めよ.
\item[(3)] 四面体 $\mathrm{ABCD}$ の体積を求めよ.
\end{enumerate}
(1) $\overrightarrow{\mathrm{AB}}=(-1,\,2,\,0)$,$\overrightarrow{\mathrm{AC}}=(-1,\,0,\,3)$.$\vec{n}=(x,\,y,\,z)$ とすると $-x+2y=0$,$-x+3z=0$ より $y=\dfrac{x}{2}$,$z=\dfrac{x}{3}$.$x=6$ として $\vec{n}=(6,\,3,\,2)$
(2) $\overrightarrow{\mathrm{AB}}$,$\overrightarrow{\mathrm{AC}}$ は平行でないから,その両方に垂直な $\vec{n}$ は平面 $\mathrm{ABC}$ に垂直である.$\mathrm{D}$ から平面 $\mathrm{ABC}$ に下ろした垂線の足を $\mathrm{H}$ とすると,$\overrightarrow{\mathrm{HD}}$ も平面 $\mathrm{ABC}$ に垂直であるから,$\overrightarrow{\mathrm{HD}}$ は $\vec{n}$ に平行である.
$\overrightarrow{\mathrm{AD}}$ と $\vec{n}$ のなす角を $\theta$ とすると,$\triangle\mathrm{AHD}$ は $\angle\mathrm{AHD}=90^\circ$ の直角三角形であるから
\[ h=\mathrm{DH}=|\overrightarrow{\mathrm{AD}}||\cos\theta|=\frac{|\overrightarrow{\mathrm{AD}}||\vec{n}||\cos\theta|}{|\vec{n}|}=\frac{|\overrightarrow{\mathrm{AD}}\cdot\vec{n}|}{|\vec{n}|} \]
$\overrightarrow{\mathrm{AD}}=(1,\,2,\,3)$,$|\vec{n}|=\sqrt{6^2+3^2+2^2}=7$ より
\[ h=\frac{|\overrightarrow{\mathrm{AD}}\cdot\vec{n}|}{|\vec{n}|}=\frac{|6+6+6|}{7}=\frac{18}{7} \]
(3) $|\overrightarrow{\mathrm{AB}}|^2=5$,$|\overrightarrow{\mathrm{AC}}|^2=10$,$\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=1$ より
\[ \triangle\mathrm{ABC}=\frac{1}{2}\sqrt{5\cdot 10-1^2}=\frac{7}{2} \]
よって体積は $\dfrac{1}{3}\cdot\dfrac{7}{2}\cdot\dfrac{18}{7}=3$
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