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四面体の重心と位置ベクトル:中線が 3 対 1 に分かれる理由

四面体 の重心は です。三角形で 3 つを足して で割ったところが、 になった形。

頂点と向かい合う面の重心を結ぶ線分を中線といい、重心はこれを に分けます。三角形の に対応する数。

分点の公式は平面と同じ

の位置ベクトルを とします。線分 に内分する点は次の形です。

平面のときとまったく同じ式。成分が 3 つになっても、 の行が 1 つ増える形です。

中点は の場合で 。外分点も符号を変えれば通ります。

例:辺の中点と内分点

の四面体で考える。

の中点は 、辺 の中点は です。

に内分する点は 。重みが比の逆になるところも平面と同じです。

四面体の重心

4 つの頂点の位置ベクトルを平均したものが重心になります。

三角形では 3 つを足して で割りました。頂点が 1 つ増えたぶん、分母が になる。

移項すると です。重心から 4 頂点へ向かうベクトルの和が消える、という形でも書けます。

例:重心を座標で求める

さきほどの四面体では

成分ごとに平均をとります。 で、 も同じ計算になる。

例:中線は 3 対 1 に分かれる

頂点 と、向かい合う面 の重心を結ぶ線分を中線といいます。

の重心は です。座標では

重心の式を書き直すと 。これは線分 に内分する点です。

で、たしかに 倍になっています。

4 本の中線がすべて を通る。三角形で 3 本の中線が重心を通ったのと同じ形です。

例:向かい合う辺の中点を結ぶ

の中点 と、向かい合う辺 の中点 を結びます。

です。 の中点を計算します。

重心そのものになりました。座標でも の中点は です。

向かい合う辺の組は 3 通りあるので、この線分も 3 本。3 本とも重心で二等分されます。

例:和が 0 になる形で使う

を使うと、証明が短くなる。

たとえば です。左辺は 、右辺は

なので、 の中点。さきほどの計算が、この 1 行で終わります。

例:面の重心をつなぐ

の重心 と、面 の重心 を考えます。

です。差をとります。

に平行で、長さが になりました。共通する が消えるため、残りだけを見れば足ります。

例:重心になる係数の条件

が重心になるのは、 のときです。

係数の和が で、しかも 4 つとも等しいとき。和が だけでは、四面体の中の別の点も表せます。

三角形で係数の和が なら平面上の点だったように、四面体では和が が空間の点を表す形になる。

三角形

重心は 3 つの平均。中線を に分ける

四面体

重心は 4 つの平均。中線を に分ける

四面体 で、頂点 と面 の重心 を結ぶ線分を、重心 はどう分けますか。

__RESULT__

と書けるので、 です。 は三角形の中線での比になります。

まちがえやすいところ

三角形の をそのまま持ちこむ形が、いちばん多いとり違えです。四面体では で、分母の に合わせて数が 1 つ上がります。

中線の相手は、向かい合う面の重心です。頂点や辺の中点ではないので、まず面の 3 頂点を平均します。

の形を持っていると、中点や比の証明が 1 行で片づく。展開する前に、この形へ寄せられないかを見ます。

四面体 $ABCD$ の重心は $\dfrac{\vec{a}+\vec{b}+\vec{c}+\vec{d}}{4}$ です。三角形で 3 つを足して $3$ で割ったところが $4$ になった形。頂点と向かい合う面の重心を結ぶ中線は、重心が $3:1$ に分けます。三角形の $2:1$ に対応する数。向かい合う辺の中点を結ぶ線分も重心を通り、しかも二等分される。$\overrightarrow{GA}+\overrightarrow{GB}+\overrightarrow{GC}+\overrightarrow{GD}=\vec{0}$ の形で使えば、この証明は 1 行で終わります。内分点の公式は平面とまったく同じで、$z$ の行が増えるだけ。