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四面体の内部の点と体積比|係数がそのまま比になる

をみたす点 は、四面体 を体積比 に分けます。

の係数 が、 を含まない四面体 に対応する。三角形で面積比だったところが、体積比に変わった形です。

位置ベクトルに直すと 。係数を重みにした平均になります。

係数がそのまま体積の比になる

が四面体 の内部にあり、正の数 について次が成り立つとします。

このとき、4 つの小さい四面体の体積比が係数の比と一致します。

向かい合わせに読むところは三角形と同じ。 の係数は、 を含まないほうに対応します。

始点を に移すと、重みを付けた平均の形になる。

例:係数から体積比を読む

の場合。係数は です。

体積比は

係数の和は なので、 は全体の にあたります。全体との比を聞かれたら、和で割る。

位置ベクトルは です。

例:重心はすべて 1 のとき

は、係数がすべて の場合です。

体積比は で、重心は四面体を体積で 4 等分します。

位置ベクトルも で、重みが等しい平均になる。三角形の重心が面積を 3 等分したことに対応します。

例:体積比から係数を読む

逆向きにもたどれます。 という条件が与えられたとする。

係数がそのまま になるので、次の等式が成り立ちます。

位置ベクトルは 。体積という立体の条件が、ベクトルの等式 1 つに置きかわりました。

例:延長して面との交点を求める

で、 の延長と平面 の交点を とします。

を始点にとると 。係数の和は です。

平面 上の点は係数の和が になるので、 倍します。

になりました。分母が から に変わったぶんが、そのまま比を表しています。

例:全体との比を聞かれたとき

の比を求める。係数の和が で、 の係数が でした。

です。4 つを足すともとの四面体に戻るため、和が全体にあたります。

なら 。どの係数を使うかをとり違えないよう、向かい合う頂点を確かめます。

例:負の係数が混じるとき

のように、負の係数が混じる場合を考えます。

このとき は四面体の外側に来ます。体積は負の値をとらないので、係数をそのまま体積比とは読めません。

体積比として読めるのは、4 つの係数がすべて同じ符号のとき。答える前に符号をそろえて確かめます。

三角形との対応

三角形3 つの係数が面積比
四面体4 つの係数が体積比

項が 1 つ増え、面積が体積に変わりました。読み方の規則はそのまま。

のとき、 の比はどれですか。

__RESULT__

係数の和は で、 に対応するのは の係数 です。 になります。 の係数 を当てると が出ます。

まちがえやすいところ

向かい合わせの対応を順番どおりに読む形が、いちばん多いとり違えです。 の係数に対応するのは、 を含まない のほう。

全体との比では、係数の和で割ります。4 つを足すともとの四面体に戻るので、和がそのまま全体の量にあたる。

延長して面との交点を求めるときは、係数の和を に直します。和が なら 倍で、その倍率が を決めています。

$\overrightarrow{PA}+2\overrightarrow{PB}+3\overrightarrow{PC}+4\overrightarrow{PD}=\vec{0}$ をみたす点は、四面体を体積比 $1:2:3:4$ に分けます。$\overrightarrow{PA}$ の係数に向かい合うのは、$A$ を含まない $PBCD$ のほう。三角形で面積比だったところが体積比に変わった形です。位置ベクトルは係数を重みにした平均で、分母は係数の和。重心はすべて $1$ の場合で、体積を 4 等分します。$AP$ を平面 $BCD$ まで伸ばすには係数の和を $1$ に直せばよく、$AP:PE=9:1$ もそこから読める。負の係数が混じると体積比として読めない理由まで。