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151|空間における三角形の面積
151
空間の3点 \({\rm A}(0~,~-1~,~1)~,~\)\({\rm B}(-2~,~3~,~-1)~,~\)\({\rm C}(1~,~0~,~-1)\) を頂点とする \(\triangle{\rm ABC}\) について、
\(\overrightarrow{\rm AB}=(\fbox{アイ}~,~\fbox{ウ}~,~\fbox{エオ})\)
\(\overrightarrow{\rm AC}=(\fbox{カ}~,~\fbox{キ}~,~\fbox{クケ})\)
\(\overrightarrow{\rm AB}\cdot\overrightarrow{\rm AC}=\fbox{コ}\)
\(|\,\overrightarrow{\rm AB}\,|=\fbox{サ}\,\sqrt{\,\fbox{シ}\,}~,~\)\(|\,\overrightarrow{\rm AC}\,|=\sqrt{\,\fbox{ス}\,}\)
よって、\(\triangle{\rm ABC}\) の面積は \(\fbox{セ}\,\sqrt{\,\fbox{ソ}\,}\) である。
空間の3点 \({\rm A}(0~,~-1~,~1)~,~\)\({\rm B}(-2~,~3~,~-1)~,~\)\({\rm C}(1~,~0~,~-1)\) を頂点とする \(\triangle{\rm ABC}\) について、
\(\overrightarrow{\rm AB}=(\fbox{アイ}~,~\fbox{ウ}~,~\fbox{エオ})\)
\(\overrightarrow{\rm AC}=(\fbox{カ}~,~\fbox{キ}~,~\fbox{クケ})\)
\(\overrightarrow{\rm AB}\cdot\overrightarrow{\rm AC}=\fbox{コ}\)
\(|\,\overrightarrow{\rm AB}\,|=\fbox{サ}\,\sqrt{\,\fbox{シ}\,}~,~\)\(|\,\overrightarrow{\rm AC}\,|=\sqrt{\,\fbox{ス}\,}\)
よって、\(\triangle{\rm ABC}\) の面積は \(\fbox{セ}\,\sqrt{\,\fbox{ソ}\,}\) である。
共通テスト数学ⅡBC|空間ベクトル
151 数学ⅡBC【解答】
\(\overrightarrow{\rm AB}=(-2~,~4~,~-2)\)
\(\overrightarrow{\rm AC}=(1~,~1~,~-2)\)
\(\overrightarrow{\rm AB}\cdot\overrightarrow{\rm AC}=6\)
\(|\,\overrightarrow{\rm AB}\,|=2\sqrt{\,6\,}~,~|\,\overrightarrow{\rm AC}\,|=\sqrt{\,6\,}\)
\(\triangle{\rm ABC}=3\sqrt{\,3\,}\)
【より詳しい解説】
点 \({\rm O}\) を原点として、
\(\begin{eqnarray}~~~\overrightarrow{\rm AB}&=&\overrightarrow{\rm OB}-\overrightarrow{\rm OA}
\\[5pt]~~~&=&\left(\,\begin{array}{c}-2\\[2pt]3\\[2pt]-1\end{array}\,\right)-\left(\,\begin{array}{c}0\\[2pt]-1\\[2pt]1\end{array}\,\right)
\\[5pt]~~~&=&\left(\,\begin{array}{c}-2-0\\[2pt]3+1\\[2pt]-1-1\end{array}\,\right)
\\[5pt]~~~&=&\left(\,\begin{array}{c}-2\\[2pt]4\\[2pt]-2\end{array}\,\right) \end{eqnarray}\)
\(\begin{eqnarray}~~~\overrightarrow{\rm AC}&=&\overrightarrow{\rm OC}-\overrightarrow{\rm OA}
\\[5pt]~~~&=&\left(\,\begin{array}{c}1\\[2pt]0\\[2pt]-1\end{array}\,\right)-\left(\,\begin{array}{c}0\\[2pt]-1\\[2pt]1\end{array}\,\right)
\\[5pt]~~~&=&\left(\,\begin{array}{c}1-0\\[2pt]0+1\\[2pt]-1-1\end{array}\,\right)
\\[5pt]~~~&=&\left(\,\begin{array}{c}1\\[2pt]1\\[2pt]-2\end{array}\,\right) \end{eqnarray}\)
\(\overrightarrow{\rm AB}\) と \(\overrightarrow{\rm AC}\) の内積は、
\(\begin{eqnarray}~~~\overrightarrow{\rm AB}\cdot\overrightarrow{\rm AC}&=&-2 \cdot 1+4 \cdot 1+(-2) \cdot (-2)
\\[3pt]~~~&=&-2+4+4
\\[3pt]~~~&=&6\end{eqnarray}\)
\(\overrightarrow{\rm AB}\) と \(\overrightarrow{\rm AC}\) の大きさは、
\(\begin{eqnarray}~~~|\,\overrightarrow{\rm AB}\,|&=&\sqrt{\,(-2)^2+4^2+(-2)^2\,}
\\[3pt]~~~&=&\sqrt{\,4+16+4\,}
\\[3pt]~~~&=&\sqrt{\,24\,}
\\[3pt]~~~&=&2\sqrt{\,6\,}\end{eqnarray}\)
\(\begin{eqnarray}~~~|\,\overrightarrow{\rm AC}\,|&=&\sqrt{\,1^2+1^2+(-2)^2\,}
\\[3pt]~~~&=&\sqrt{\,1+1+4\,}
\\[3pt]~~~&=&\sqrt{\,6\,}\end{eqnarray}\)
\(\overrightarrow{\rm AB}\) と \(\overrightarrow{\rm AC}\) のなす角を \(\theta\) とし、内積の定義の式より、
\(\begin{eqnarray}~~~\overrightarrow{\rm AB}\cdot\overrightarrow{\rm AC}&=&|\,\overrightarrow{\rm AB}\,|\cdot|\,\overrightarrow{\rm AC}\,|\cdot\cos\theta
\\[5pt]~~~6&=&2\sqrt{\,6\,}\cdot\sqrt{\,6\,}\cdot\cos\theta
\\[5pt]~~~12\cos\theta&=&6
\\[5pt]~~~\cos\theta&=&\displaystyle \frac{\,6\,}{\,12\,}
\\[5pt]~~~\cos\theta&=&\displaystyle \frac{\,1\,}{\,2\,}\end{eqnarray}\)
\(0^{\circ}{\small ~≦~}\theta{\small ~≦~}180^{\circ}\) より、\(\theta=60^{\circ}\)
よって、\(\triangle{\rm ABC}\) の面積は、
\(\begin{eqnarray}~~~\triangle{\rm ABC}&=&\displaystyle \frac{\,1\,}{\,2\,}\cdot|\,\overrightarrow{\rm AB}\,|\cdot|\,\overrightarrow{\rm AC}\,|\cdot\sin\theta
\\[5pt]~~~&=&\displaystyle \frac{\,1\,}{\,2\,}\cdot 2\sqrt{\,6\,}\cdot\sqrt{\,6\,}\cdot\sin 60^{\circ}
\\[5pt]~~~&=&6\cdot \displaystyle \frac{\,\sqrt{\,3\,}\,}{\,2\,}
\\[5pt]~~~&=&3\sqrt{\,3\,}\end{eqnarray}\)
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