Nekokaburi

四面体の体積についての考察です。


四面体OABCOABCにおいて、

lOA→=OA′→l\overrightarrow{OA}=\overrightarrow{OA'},mOB→=OB′→m\overrightarrow{OB}=\overrightarrow{OB'},nOC→=OC′→n\overrightarrow{OC}=\overrightarrow{OC'} (l,m,nは正の実数)(l,m,n は正の実数)

となる3点A′,B′,C′3点A',B',C' を定め、

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

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88がlmn=8lmn=8に由来している気がして、例えばl≠m≠nl≠m≠nのときでもOA′B′C′=OABC×lmnOA'B'C'=OABC×lmnから

四面体OA′B′C′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。

回答 1件

ベストアンサー

mmii

成り立つと思います。

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

∠AOB=∠A′OB′=α∠AOB=∠A'OB'=\alpha、

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

∠COH=∠C′OH′=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=12∣OA→∣∣OB→∣sinα△OAB={1\over2}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}|sin\alpha

高さをCHCHとすると

∣CH→∣=∣OC→∣sinβ|\overrightarrow{CH}|=|\overrightarrow{OC}|sin\beta

四面体OABCOABCの体積VVは

V=12×13∣OA→∣∣OB→∣sinα∣OC→∣sinβV={{1\over2}\times{1\over3}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}|sin\alpha|\overrightarrow{OC}|sin\beta}=16∣OA→∣∣OB→∣∣OC→∣sinαsinβ{1\over6}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}||\overrightarrow{OC}|sin\alpha sin\beta

 四面体OA′B′C′OA'B'C'の体積V′V'も同様に

V′=16∣OA′→∣∣OB′→∣∣OC′→∣sinαsinβ=16l∣OA→∣m∣OB→∣n∣OC→∣sinαsinβ=lmn×16∣OA→∣∣OB→∣∣OC→∣sinαsinβV'={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=16∣OA→∣∣OB→∣∣OC→∣sinαsinβV={1\over6}|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}||\overrightarrow{OC}|sin\alpha sin\beta

より

V′=lmn×VV'=lmn\times V

一応l,m,n∈R、0<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。

  • Nekokaburi

    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OA′B′C′=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…?

  • mmii

    自明とするのは少し無理がある気がしますね。

  • Nekokaburi

    そうですよね。

    ありがとうございます。

  • Nekokaburi
    お礼

    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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