解決済み

この前の質問は,不十分でしたので,言い直して質問です。


立方体を,次に示す手順で,三つの4角錐に分割する。

・1つの面を底面とする。

・底面の一つの点に対して,対角の位置にある点を頂点とする4角錐を作成する。



この時に生成する,三つの4角錐は合同となる。

よって4角錐の堆積は,立方体の3分の1となる。

(ホームページ:‘立方体の4角錐での3分割’で検索して参考としました)


あとはCavalier の原理に従って,4角錐の堆積には3分の1が必要とわかる。


質問は,同様の手法で平行六面体を3つに分割した場合,三つの4角錐の堆積は等しいといえるか?・・・・です。


平行六面体の堆積は,スカラー3重積で得られますので(平行6面体の3辺をベクトルで示した場合),4角錐の堆積の公式(3分の1✖️底面✖️高さ)を使用すれば,等しいことは分かります。しかし,4角錐の堆積の公式を用いないで,分割した三つの4角錐の堆積が等しいことを誘導したいと考えております。


よろしくおねがいします。



ベストアンサー

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図のような平行六面体ABCDEFGHABCD-EFGHと、その部分集合である四角錐CEFGHC-EFGHを考える。


立体KKの体積をV(K)V(K)と表すことにする。

ここで、以下の命題を認める

①相似比が1:a1:aとなる2つの立体の体積比は1:a31:a^3となる

②ある立体KKが切断によりK1K_1K2K_2に分かれるとき、V(K)=V(K1)+V(K2)V(K)=V(K_1)+V(K_2)

(証明は面倒なのでここではしません。錐体の体積の公式は使わずに証明できます)


四角錐CEFGHC-EFGHとの相似比が1:21:2となるような四角錐CEFGHC-E'F'G'H'を考える。さらに、図のように5点I,J,K,L,MI,J,K,L,Mを新たにおく



V(CEFGH)=v,V(ABCDEFGH)=VV(C-EFGH)=v,V(ABCD-EFGH)=Vとおく


②より

V(CEFGH)V(C-E'F'G'H')

=V(CEFGH)+V(EEJMI)+V(EIMHHL)+V(EJMFFK)+V(EFGHMKGL)=V(C-EFGH)+V(E-E'JMI)+V(EIM-HH'L)+V(EJM-FF'K)+V(EFGH-MKG'L)

となる


①より

V(CEFGH):V(CEFGH)=1:8V(C-EFGH):V(C-E'F'G'H')=1:8

よってV(CEFGH)=8vV(C-E'F'G'H')=8v


四角錐EEJMIE-E'JMIは四角錐CEFGHC-EFGHと合同である

①より

V(CEFGH):V(EEJMI)=1:1V(C-EFGH):V(E-E'JMI)=1:1

よってV(EEJMI)=vV(E-E'JMI)=v


立体EIMHHLEIM-HH'Lおよび立体EJMFFKEJM-FF'Kは反転合同なもう一つの立体と組み合わせることにより平行六面体ABCDEFGHABCD-EFGHと合同となるため、①②より

2V(EIMHHL)=2V(EJMFFK)=V2V(EIM-HH'L)=2V(EJM-FF'K)=V

よってV(EIMHHL)=V(EJMFFK)=12V\displaystyle V(EIM-HH'L)=V(EJM-FF'K)=\frac{1}{2}V


平行六面体EFGHMKGLEFGH-MKG'Lは平行六面体ABCDEFGHABCD-EFGHと合同であるため、①より

V(EFGHMKGL)=VV(EFGH-MKG'L)=V


したがって、8v=v+v+12V+12V+V\displaystyle 8v=v+v+\frac{1}{2}V+\frac{1}{2}V+V

v=13V\displaystyle v=\frac{1}{3}V



かなり面倒ですが、このようにして積分や錐体の体積の公式を使わずに、斜錐体の体積の公式を証明することは可能です

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