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四面体の性質をベクトルで証明する、向かい合う辺の垂直と中線の交点

四面体で向かい合う 2 組の辺が垂直なら、残る 1 組もかならず垂直になります。証明に使うのは展開 1 回。

を始点にとって、次の和を作ります。

展開するとすべての項が打ち消し合って になります。3 つのうち 2 つが なら、3 つ目も 。

四面体の定理は、たいていこの調子で片づきます。図に補助線を引くのではなく、位置ベクトルで書いて展開する。

証明の型は 1 つ

四面体の証明でも、始点を 1 つ決めて位置ベクトルで書く手順は変わりません。

長さや垂直が絡めば 2 乗して内積に直し、比や平行が絡めば実数倍の形にそろえる。あとは展開して見比べます。

始点は、いちばん多くの辺が集まる頂点にとると項が減る。 を始点にすれば 、、 の 3 本ですべてを書けます。

例:向かい合う辺の垂直

を始点にとり、、、 とします。

、、 です。3 つの内積を足す。

6 つの項が 2 つずつ打ち消し合いました。だから 3 つの内積の和は、どんな四面体でも です。

2 組が垂直なら、その 2 つの内積が 。残る 1 つも になり、3 組目も垂直になります。

例:正四面体では 3 組とも垂直

1 辺 の正四面体で を始点にとる。 で、どの 2 本のなす角も です。

内積はどれも 。

向かい合う辺が垂直になりました。ほかの 2 組も同じ計算です。

例:正四面体の対辺のなす角

いまの計算から、 と のなす角は です。

隣り合う辺、たとえば と なら内積が で、 から 。

正四面体に現れる角は と の 2 種類です。隣り合うか向かい合うかで決まります。

例:向かい合う辺の中点を結ぶ線分

辺 の中点を 、辺 の中点を とします。 を始点にとる。

、 です。 の中点を計算します。

四面体の重心そのものになりました。向かい合う辺の組は 3 通りあるので、3 本の線分がすべて重心を通り、そこで二等分される。

対称な式を作って、真ん中で割る。それだけの計算になっています。

例:4 本の中線が 1 点で交わる

面 の重心を とすると です。線分 を に内分する点を計算します。

どの頂点から始めても同じ式になります。 と残り 3 つの立場が対称だからです。

4 本の中線がすべて重心を通り、 に分けられる。式の対称性が、そのまま定理になっています。

例:面の重心を結んでできる四面体

4 つの面の重心を頂点とする四面体を考えます。面 の重心が 、面 の重心が 。

です。

の 倍。どの 2 つの面の重心をとっても、同じ形になります。

もとの四面体と相似で、比は 。向きは反対になります。共通する項が消えて差だけが残る、という計算の型が効いている。

例:長さが絡む証明

四面体 で 、、 が成り立つとします。向かい合う辺の長さが 3 組ともそろっている形です。

を始点にとると 、、。すべて 2 乗します。

1 つ目から 。3 つとも同じように書き、足したり引いたりして内積を求めます。

長さの条件は 2 乗して内積へ、垂直の条件はそのまま内積へ。どちらも同じ場所に落ちるので、混ぜて使えます。

垂直が絡む証明

内積を と置く。展開して打ち消し合う項を探す

長さが絡む証明

2 乗して内積に直す。同じ形の式を 3 つ並べて足し引きする

四面体で と が成り立つとき、 はいくつですか。

  • 求まらない
  • 四面体の形による
__RESULT__

3 つの内積の和は、どんな四面体でも になります。2 つが なら、残る 1 つも 。だから と も垂直です。

まちがえやすいところ

始点をあちこちに移すと項が増えます。 に固定して 、、 の 3 本だけで書き切るほうが、展開が短くなる。

内積の順番を入れかえてよいことを使わないと、打ち消し合いが見えません。 と は同じ値です。

長さの条件は、そのままでは展開できません。2 乗して内積に直してから並べます。

図に補助線を足す前に、位置ベクトルで書いて展開してみる。四面体の定理は、その 1 手でほとんど片づきます。

四面体で向かい合う 2 組の辺が垂直なら、残る 1 組もかならず垂直になります。$\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{CD}+\overrightarrow{AC}\cdot\overrightarrow{DB}+\overrightarrow{AD}\cdot\overrightarrow{BC}$ を展開すると 6 つの項が 2 つずつ打ち消し合い、和はどんな四面体でも $0$ になるからです。正四面体では内積がどれも $\dfrac{a^2}{2}$ なので、3 組とも垂直。向かい合う辺の中点を結ぶ 3 本が重心で二等分されることも、4 本の中線が 1 点で交わることも、対称な式を作って割るだけで導けます。面の重心を結ぶと $1:3$ の相似な四面体になる理由まで。