解決済み

四面体の体積についての考察です。


四面体OABCOABCにおいて、

lOAundefined=OAundefinedl\overrightarrow{OA}=\overrightarrow{OA'}mOBundefined=OBundefinedm\overrightarrow{OB}=\overrightarrow{OB'}nOCundefined=OCundefinedn\overrightarrow{OC}=\overrightarrow{OC'} (lmnは正の実数)(l,m,n は正の実数)

となる3ABC3点A',B',C' を定め、

四面体OABC四面体OA'B'C'の体積を考える。


このとき、たとえばl=m=n=2l=m=n=2 なら

四面体OABC四面体OABC四面体OABC \propto 四面体OA'B'C'

相似比が1:2、つまり体積比は1:8相似比が1:2、つまり体積比は1:8となります。

この比の88lmn=8lmn=8に由来している気がして、例えばlmnl≠m≠nのときでもOABC=OABC×lmnOA'B'C'=OABC×lmnから

四面体OABC四面体OA'B'C'の体積が求められそうな気がしているのですが、一般的には成り立たないのでしょうか。

ベストアンサー

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成り立つと思います。

まず前提として四面体OABC、四面体OABC四面体OABC、四面体OA'B'C'について、

AOB=AOB=α∠AOB=∠A'OB'=\alpha

Cから平面OAB(OAB)に下ろした垂線との交点をHHCから平面OAB(OA'B')に下ろした垂線との交点をH、H'とし

COH=COH=β∠COH=∠C'OH'=\betaとする。


 四面体OABC四面体OABCについて

底面積をOAB△OABと考え

OAB=12OAundefinedOBundefinedsinα△OAB={1\over2}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}|sin\alpha

高さをCHCHとすると

CHundefined=OCundefinedsinβ|\overrightarrow{CH}|=|\overrightarrow{OC}|sin\beta

四面体OABCOABCの体積VV

V=12×13OAundefinedOBundefinedsinαOCundefinedsinβV={{1\over2}\times{1\over3}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}|sin\alpha|\overrightarrow{OC}|sin\beta}=16OAundefinedOBundefinedOCundefinedsinαsinβ{1\over6}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}||\overrightarrow{OC}|sin\alpha sin\beta

 四面体OABCOA'B'C'の体積VV'も同様に

V=16OAundefinedOBundefinedOCundefinedsinαsinβ=16lOAundefinedmOBundefinednOCundefinedsinαsinβ=lmn×16OAundefinedOBundefinedOCundefinedsinαsinβV'={1\over6}|\overrightarrow{OA'}||\overrightarrow{OB'}||\overrightarrow{OC'}|sin\alpha sin\beta={1\over6}l|\overrightarrow{OA}|m|\overrightarrow{OB}|n|\overrightarrow{OC}|sin\alpha sin\beta=lmn\times{1\over6}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}||\overrightarrow{OC}|sin\alpha sin\beta

ここで

V=16OAundefinedOBundefinedOCundefinedsinαsinβV={1\over6}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}||\overrightarrow{OC}|sin\alpha sin\beta

より

V=lmn×VV'=lmn\times V

一応l,m,nR0<α,β<πl,m,n\in\mathbb{R}、0<\alpha,\beta<\piのつもりで考えていますが、細かい条件や計算など間違っていたらすみません。

返信(3件)

ずっと底面をABC\triangle ABCで考えていたので上手く導き出せずにモヤモヤしていましたが、底面をOAB\triangle OABととればすべて解決するのですね…!

発想を柔軟に持たなければですね。


ちなみに、さすがに

四面体OABC=lmn四面体OABC四面体OA'B'C'=lmn四面体OABC

を誘導無しでいきなり使うのは無しですよね…?

自明とするのは少し無理がある気がしますね。

そうですよね。

ありがとうございます。

質問者からのお礼コメント

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早々にご回答いただき、ありがとうございました。

ようやくモヤモヤを晴らすことができました!

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