空間図形の問題
直方体 があり、長方形 が底面、, , , が底面に垂直な辺です。、、 とします。頂点 から、面 と面 の上を通り、辺 上の点 を通って頂点 まで糸をかけます。糸の長さがもっとも短くなるときの糸の長さ は何 ですか。
この問題で使うもの
- 立体の表面上の最短経路(説明と入口の問題)
- 三平方の定理(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(13 技能)
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
糸が通る つの面を、辺 でつながったまま展開図にして考えます。
ヒント 2
展開図で と を結んだ線分が最短の糸になります。展開図では横の長さが 、縦の長さが の直角三角形ができます。
ヒント 3
直角をはさむ 辺は と です。三平方の定理を使いましょう。
答えと解説
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解説を読む
面 と面 を、辺 でつながったまま つの平面上に開いた展開図で考えます。
展開図では、, , が一直線上に並び、長方形 (面 と面 を合わせた長方形)ができます。その横の長さと縦の長さは
です。
糸の長さ がもっとも短くなるのは、展開図で , , が一直線上に並ぶとき、つまり糸が線分 になるときです。
展開図の は の直角三角形なので、三平方の定理より
より です。
なお、このとき より で、 なので、 は確かに辺 上にあります。
答えは です。
別解
面 ABFE と面 BCGF を辺 BF で開いて、同じ平面上に並べる(展開図)。
A を原点、AB の向きを横方向、AE の向きを縦方向とすると、A は横 ・縦 (底面の頂点)の位置、G は横 cm、縦 cm の位置にある。
糸が最短になるのは、展開図で A と G を直線で結んだときで、長さは三平方の定理より cm。
確かめ: この直線が辺 BF(横 cm の位置)と交わる高さは cm で、 以上 以下なので、点 P は辺 BF 上にある。よって cm。