第321問の解答


問題 [空間図形]

問題図

左図は、底面が面積128cm2の正方形であるような角柱を3本、それぞれが垂直に交わるように組み合わせたものです。

この場合、3本の角柱の共通部分は立方体になりますね。

では、この3本の角柱をそれぞれ45度回転させたとき、3本の角柱の共通部分の体積は何cm3でしょうか。


はじめに

類題が「算チャレVer.2」第83問にあります。こちらも参考にして下さい。

さて、3本の角柱の共通部分が、どんな立体になるのかを調べてみましょう。

最初に、水平な2本の共通部分を考えます。
下図のように、角柱底面の対角線の長さ16cmを1辺とする立方体にすっぽり入る八面体になります。
この八面体は、1辺が16cmの正方形を底面とする正四角錐を2個合わせた形になっています。

参考図0−1

さらに、この八面体と垂直な角柱との共通部分が、どうなるかを考えてみましょう。

これは、立方体の4隅を垂直に切断することと同じですから、八面体の4隅を切断した12面体となることが分かります。なお、この12面体は、同じ大きさの菱形12枚からできています。

参考図0−2

 

(参考)マウスでドラッグして下さい。

 


解答例1

sodoさん、TORAさん、VILLさん、トトロ@Nさん、ミミズクはくず耳さん、おおおさん、たけのしんさん、フランク長いさん、ねこやんさん、他

立方体の体積をVとし、立方体を水平に切断して上半分で考えます。

参考図1

正四角錐の体積をV1、4隅の三角錐の体積をV2、12面体の体積をV3とします。

V1=V×1/3×1/3(底面は立方体と同じ、高さは立方体の半分)
  =V×1/6

V2=V1×1/16(底面積:1/8、高さ:1/2)

V3=(V1−V2×4)×2
  =(V1−V1×1/16×4)×2
  =V1×3/4×2
  =(V×1/6)×3/2
  =V×1/4
  =16×16×16×1/4
  =1024cm3

答: 1024cm3

以上


解答例2

まるケンさん、中村明海さん、ふじさきたつみさん、 他

12面体を小立方体とその各面に正四角錐を貼り付けたものとして考えます。

参考図2

小立方体の1辺=元の立方体の1辺×1/2=8cm。
小立方体の体積=8×8×8=512cm3。

正四角錐の底面:1辺8cm、高さ=16×1/4=4cm。
正四角錐の体積=1/3×8×8×4=256/3cm3。

よって、12面体の体積
 =小立方体+正四角錐×6
 =512+256/3×6
 =512+512
 =1024cm3。

なお、正四角錐を小立方体の内側にそれぞれおくと、6個で小立方体を埋め尽くすので、
 正四角錐×6=小立方体となります。


解答例3

CRYING DOLPHINさん、高橋 道広さん、他

立方体を8等分した小立方体で考えます。
切断図は下図のようになります。

参考図3

小立方体の1辺=元の立方体の半分=8cm。

12面体の切断は、2つの三角錐V1、V2に分割できます。

V1=1/3×8×(1/2×8×8)=256/3cm3。

V2=V1×1/2。

よって、12面体の体積
=(V1+V2)×8
=V1×3/2×8
=256/3×12
=1024cm3。


(その他の解法)