第171問の解答
1.問題 [空間図形]
図2は、角Oが90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の球を入れ、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、球が穴の3辺に接するようにはみ出ていました。
では、三角錐OABCの体積は、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)
面OBCが底面で、AがOの真上に来るような位置で考えます。
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の立方体を3つの面を三角錐OABCに合わせると、球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、立方体の頂点になります。
よって、このときRP、PQ、QPの中点S、T、Uは立方体の上面、および側面の中心になるので、球と接します。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)
Oを原点とし、OBをx軸、OCをy軸、OAをz軸とする座標系で考えます。
球の半径をr=3cm、OA=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、球は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。