第421問の解答


問題[空間図形]

問題図

左図のような一辺の長さが12cm立方体ABCD−EFGHがあります。点P立方体の内部にある点で、
 ・四角錐P−ABCDP−EFGH3:1
 ・四角錐P−AEHD:P−BFGC1:4
 ・四角錐P−AEFBP−DHGC1:2
となっています。

いま、点P立方体の各面について対称な点をとります。(全部で6つできますね)

これらの6つの点を結んでできる立体と、もとの立方体重なった部分体積を求めてください。


解答例1

Taroさん、姉小路さん、tomhさん、DrKさん、なかさん、n厨@眠さん、小西孝一さん、頑張れ松井&ヤンキースさん、きょろ文さん、uchinyanさん、他

点P立方体1辺の長さaとします。a12cmの各面について対称な点を、IJKLMNとします。 (図1)

参考図1

IP中点SKP中点Tとすると、題意より
S
は上面ABCD上に、Tは側面AEFB上にあることが分かります。

そこで、IK中点A'とすると、△IKPに関して、中点連結定理より、
A'SKP平行A'TIP平行となります。

従って、A'は上面ABCD上かつ側面AEFB上にあることになるので、
実は辺AB上にあることが分かります。

同様にして、ILIMIN中点B'C'D'、およびJK、JLJMJN中点E'F'G'H’とすると、
B'C'D'は、それぞれ辺BCCDDA上に、E'F'G'H’は、辺EFFGGHHE上にあることが分かります。

よって、IJKLMNを結んでできる立体八面体になりますが、
それぞれの面が元の立方体8隅を切断し、8個三角錐を切り落とすことになります。

上4個三角錐底面と、下4個三角錐底面は、それぞれ合同となります。
これらの面積をS1S2S3S4とすると、
 S1S2S3S4正方形ABCD×1/2=a2×1/2
となります。

また、三角錐高さは、上4個、下4個でそれぞれ等しく、これらをh1h2とすると、
 h1h2=AE=a
となります。

よって、
 8個三角錐体積合計
=1/3×(S1S2S3S4)×h1+1/3×(S1S2S3S4)×h2
=1/3×(S1S2S3S4)×(h1h2
=1/3×a2×1/2×a
1/6×a3

従って、
 求める体積
a3−1/6×a3
=5/6×a3
=5/6×123
1440cm3
と求まります。

答:  1440cm3

以上


解答例2

アヒーのおじさんさん、みかんさん、 他

解答例1と逆に八面体からはみ出た6個四角錐の体積を除いて求めます。(図は解答例1を参照)

八面体を上下2つ四角錐に分割すると、共通する底面積はa2×2で、高さの和a×2、
よって、体積=1/3×(2×a2)×(2×a)=4/3×a3

また、6個四角錐底面積は、いずれもa2×1/2で、向かい合う四角錐高さの和aとなるので、
体積合計=(1/3×a2×1/2×a)×3=1/2×a3=5/6×a3
となり、以下同様。


(その他の解法)