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 を 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。
辺 の中点は 、辺 の中点は です。
辺 を 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。 は で、 と 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。

面 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 を 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
辺 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、 は 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
面 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 と 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。
重心は 3 つの平均。中線を に分ける
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。
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。











g=4a+3g1 と書けるので、AG:GG1=3:1 です。2:1 は三角形の中線での比になります。