体積0の四面体の6辺の長さ(1) | のこはんのブログ

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 前回は四面体O-ABC6長さから体積を求めた結果、

体積12倍2が、

-(ABR+ACQ+BCP+PQR)

+AP{B+C+Q+R-(A+P)}

+BQ{A+C+P+R-(B+Q)}

+CR{A+B+P+Q-(C+R)}

と求まりました。ただし、

A,P,B,Q,C,Rは各辺の長さの2で、

APBQCR向かい合う辺です。

 

今回は四面体O-ABC体積0のときの各辺長さの関係を求めていきます。

設定は前回のと同じものを用います。

◯四面体は、

 ・頂点4

 ・辺 6

 ・面 4

 です。

6長さを、

 ・OA=a、・OB=b、・OC=c

 ・AB=r、・BC=p、・CA=q

 とします。

 ・O含む辺他方の点文字(a,b,c)

 ・O含まないA,B,Cp,q,rとし、含まれない文字(p,q,r)

 です。

各辺長さ2文字大文字で表記します。

 ・A=a²、・B=b²、・C=c²

 ・R=r²、・P=p²、・Q=q²

 ・途中からは長さ2しか使いません

ある1辺は、他の5のうち、

 ・辺の両端2辺ずつ、4辺と接します。

 ・残り1とは接していません

向かい合っている辺3あり、

 apbqcrです。

4頂点座標空間

 O(0,0,0)、A(a,0,0)、B(x₂,y₂,0)、C(x₃,y₃,z)

 と置きます。

◯体積(1/6)×a×y₂×zです。

 

◯自明OA除いた5について、

 ・x₂²+y₂²=B…(1) (OB)

 ・(x₂-a)²+y₂²=R…(2) (AB)

 ・x₃²+y₃²+z²=C…(3) (OC)

 ・(x₃-a)²+y₃²+z²=Q…(4) (AC)

 ・(x₃-x₂)²+(y₃-y₂)²+z²=P…(5) (BC)

 が成立します。

 この5から、x₂,y₂,x₃,y₃,z5つの値を求めます。

 見た目に反して面倒です。

◯体積0ということは、4頂点同一平面上にあるということです。

4頂点座標空間

 O(0,0,0)、A(a,0,0)、B(x₂,y₂,0)、C(x₃,y₃,z)

 と置いていることで、C(x₃,y₃,z)以外3点はxy平面上です。

 よって、C(x₃,y₃,z)xy平面上に置きます。

 つまり、z=0です。

4頂点ともxy平面上なので、z座標は無視できます。

 O(0,0)、A(a,0)、B(x₂,y₂)、C(x₃,y₃)

 となり、

◯自明OA除いた5について、

 ・x₂²+y₂²=B…(1) (OB)

 ・(x₂-a)²+y₂²=R…(2) (AB)

 ・x₃²+y₃²=C…(3) (OC)

 ・(x₃-a)²+y₃²=Q…(4) (AC)

 ・(x₃-x₂)²+(y₃-y₂)²=P…(5) (BC)

 が成立します。

 

式(1),(2)変更なしで、

式(3)~(5)左辺の「+z²」が無くなっただけです。

 

これらから導かれる式は、

x₂=(A+B-R)/2a…(6)

y₂²={(A+B+R)²-2(A²+B²+R²)}/4A…(7)

x₃=(A+C-Q)/2a…(8)

y²={(A+C+Q)²-2(A²+C²+Q²)}/4A…(9)

x₃-x₂= - {(B-C)+(Q-R)}/2a…(10)

4Ay₂y₃={B+C+Q+R-(A+2P)}A-(B-R)(C-Q)…(11)

 

・16A²y₂²y₃²

  =A²{B+C+Q+R-(A+2P)}²+(B-R)²(C-Q

   -2A(B-R)(C-Q){B+C+Q+R-(A+2P)}…(12)

 

16A²y₂²y₃²

  =(A+B+R)²(A+C+Q

   -4(AB+AR+BR)(A²+C²+Q²)

   -4(A²+B²+R²)(AC+AQ+CQ)…(13)

で、

・式(6)~(12)変更なし

・式(13)左辺16A²y₂²(y₃²+z²)から16A²y₂²y₃²に変わりました。

 

◯式(13)-式(12)

 16A²y₂²y₃²-16A²y₂²y₃²

  ={

   (A+B+R)²(A+C+Q

   -4(AB+AR+BR)(A²+C²+Q²)

   -4(A²+B²+R²)(AC+AQ+CQ)

  }-(

   A²{B+C+Q+R-(A+2P)}²+(B-R)²(C-Q

   -2A(B-R)(C-Q){B+C+Q+R-(A+2P)}

  )

 右辺変わりません

◯左辺16A²y₂²y₃²相殺すると、

 左辺0となります。

 0=(A+B+R)²(A+C+Q

  -4(AB+AR+BR)(A²+C²+Q²)

  -4(A²+B²+R²)(AC+AQ+CQ)

  -A²{B+C+Q+R-(A+2P)}²-(B-R)²(C-Q

  +2A(B-R)(C-Q){B+C+Q+R-(A+2P)}

この式を前回と同様に変形すると、 

 -(ABR+ACQ+BCP+PQR)

 +AP{B+C+Q+R-(A+P)}

 +BQ{A+C+P+R-(B+Q)}

 +CR{A+B+P+Q-(C+R)}

 =0

となります。