第171問の解答


1.問題 [空間図形]

問題図

図2は、角O90度の合同な3つの直角二等辺三角形でできた三角錐の形をしたふたのない容器OABCに、半径が3cmを入れ、図1のような正三角形ABCのふたをしたときの様子です。(正三角形ABCには、各辺の中点を結ぶ正三角形の穴が空いています。)

このとき、ふたに空いた穴からは、が穴の3辺に接するようにはみ出ていました。
では、三角錐OABC体積は、何cm3あるでしょうか?


2.解答例1(Taroさん、香川仁志さん、ふじさきたつみさん、DrKさん、トトロ@Nさん、あんみつさん、他多数)

OBCが底面で、の真上に来るような位置で考えます。

参考図1

正三角形ABCに空いた穴を正三角形PQRとします。
球とPQRが接するのは、PQRの各辺の中点S、T、Uとなります。

1辺が6cm立方体を3つの面を三角錐OABCに合わせると、はこの立方体にすっぽり入り各面の中心で接します。

従って、OA=OB=OC=12cmとすると、P、Q、RはAB、BC、CAの中点だから、立方体頂点になります。
よって、このときRP、PQ、QPの中点S、T、U立方体上面、および側面中心になるので、と接します。

よって、求める三角錐OABCの体積は、
 1/3×(1/2×12×12)×12=288cm3
となります。

答:288cm3

以上


3.解答例2(たなかさん、ちーくんnoetherさん、有無相生さん、King of Kingさん、永弘さん、他多数)

原点とし、OBx軸OCy軸OAz軸とする座標系で考えます。
球の半径r=3cmOA=OB=OC=dとします。

O(0、0、0)、A(0、0、d)、B(d、0、0)、C(0、d、0)、
P(d/2、0、d/2)、Q(d/2、d/2、0)、R(0、d/2、d/2)、
S(d/4、d/4、d/2)、T(d/2、d/4、d/4)、U(d/4、d/2、d/4)

となり、
また、球の式は
  (x-r)2+(y-r)2+(z-r)2=r2 ・・・(1)
となります。

従って、
 (d/4-r)2+(d/4-r)2+(d/2-r)2=r2
 3/8d2-2dr+3r2 = r2
 1/8(3d-4r)(d-4r)=0

よって、d=4/3rまたはd=4rとなります。

d=4/3rのとき、三角錐の中には収まらないので不適、
よって、d=4r=12cmとなります。

従って、求める三角錐OABCの体積は、
 1/3×(1/2×d2)×d=288cm3
となります。