第396問の解答
問題[空間図形]
左図のような三角錐ABCDで、Pは辺CAをA側に3倍に伸ばした点です。 同様に、
- ABをB側に3倍に伸ばした点をQ
- BDをD側に3倍に伸ばした点をR
- DCをC側に3倍に伸ばした点をS
とします。
このとき、三角錐PQRSの体積は、三角錐ABCDの体積の何倍でしょうか。
解答例1
あ〜く@旧Nさん、はなうさん、小西孝一さん、受験勉強君さん、小学名探偵さん、 他
三角錐PQRSを点Bを頂点とする4つの三角錐に分割して考えます。
(図1)三角錐Q-BRS(三角錐BQRSを頂点Qと底辺BRSで考える。以下同様)
三角錐Q-BRSと三角錐A-BCDは、底面△S-BRと△C-BDが同一平面にあります。
底辺の比=BR:BD=3:1、高さの比=SD:CD=3:1、
よって、底面△S-BR:△C-BD=9:1となります。また、三角錐Q-BRSと三角錐A-BCDの高さの比=QB:BA=2:1だから、
体積の比=18:1となります。(図2)三角錐S-BPQ
三角錐S-BPQと三角錐D-ABCは、底面△P-QBと△C-ABが同一平面にあります。
底辺の比=QB:AB=2:1、高さの比=PA:AC=2:1、
よって、底面△P-QB:△C-AB=4:1となります。また、三角錐S-BPQと三角錐D-ABCの高さの比=SC:CD=2:1だから、
体積の比=8:1となります。(図3)三角錐P-BRS
三角錐P-BRSと三角錐A-BCDは、底面△S-BRと△C-BDが同一平面にあります。
図1と同様、底面△S-BR:△C-BD=9:1。また、三角錐P-BRSと三角錐A-BCDの高さの比=PC:AC=3:1だから、
体積の比=27:1となります。(図4)三角錐R-BPQ
三角錐R-BPQと三角錐D-ABCは、底面△P-QBと△C-ABが同一平面にあります。
図3と同様、底面△P-QB:△C-AB=4:1。また、三角錐R-BPQと三角錐D-ABCの高さの比=RB:DB=3:1だから、
体積の比=12:1となります。以上から、
三角錐PQRS:三角錐ABCD=(18+8+27+12):1=65:1
と求まります。答: 65倍
以上
解答例2
なかさん、他
D、C、S、およびB、D、Rはそれぞれ一直線上に並んでいるので、R、Sは面BCDと同一平面にあります。
そこで、この平面と辺PQの交点をTとします。
すると、C、A、P、およびA、B、Qはそれぞれ一直線上に並んでいるので、P、Qは面ABCと同一平面にあります。
従って、Tも面ABCと同一平面にあることになります。
よって、Tは辺CBの延長線上にあることが分かります。さて、三角錐PQRSを面RSTで2分割してそれぞれの体積を求めてみましょう。
まず、三角錐P-RSTと三角錐A-BCDの高さの比=PC:AC=3:1、
および、三角錐Q-RSTと三角錐A-BCDの高さの比=QB:AB=2:1、
よって、PT:QT=3:2となります。△PTCと直線AQに関してメネラウスの定理より、
CA/AP×PQ/QT×TB/BC=1
1/2×5/2×TB/BC=1
よって、
TB:BC=4:5
となります。△BCDの面積を1とすると、
△DSR=3×2=6、
△TCS=9/5×2=18/5、
△TBR=4/5×3=12/5。従って、△TSR
=△DSR+△TCS+△TBR+△BCD
=6+18/5+12/5+1=13
となります。よって、三角錐ABCDの体積を1とすると、
三角錐PQRS
=三角錐P-RST+三角錐Q-RST
=13×(3+2)
=65
と求まります。
(参考)動く3D図
(参考)マウスでドラッグして下さい。
(その他の解法)
三角錐PQRCのように新しい頂点3個と延長前の点でできる4個の四面体を考えて ・・・ 数楽者さん、目崎達也さん、他
これらのの体積はそれぞれ三角錐ABCDの27倍、2個ずつの共通部分は9倍、3個の共通部分はの3倍、
よって、三角錐PQRSは4×33−6×32+4×3−1=65倍
座標で体積を計算(特別な形で考えた) ・・・ Taroさん、辻。さん、拓パパさん、おかひで博士さん、他
座標を割り当てて(特別な形で考えた)ベクトルと行列式で計算 ・・・ kasamaさん、辻。さん、拓パパさん、M.Hossieさん、Toru Fukatsuさん、ハラギャーテイさん、他
特別な形で考え、三角錐を2分割して底面積と高さの比から求める ・・・ みかんさん、水田Xさん、他