空間図形の問題
、、 の直方体 があります。長方形 が底面、長方形 が上面で、, , , はどれも底面に垂直な辺です。辺 上に となる点 、辺 上に となる点 をとります。 点 , , を通る平面と辺 との交点を とします。この直方体を平面 で切って つの立体に分けるとき、頂点 を含む方の立体の体積は何 か求めなさい。
この問題で使うもの
- 立体を平面で切ったときの体積(説明と入口の問題)
- 直方体を平面で切った立体の体積(説明と入口の問題)
- 直方体・立方体の体積(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(9 技能)
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ヒント
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ヒント 1
向かい合う面は平行なので、切り口の四角形 は平行四辺形になります。これを使って の長さを求めましょう。
ヒント 2
です。切り口より下の立体の 本の縦の辺の長さは です。
ヒント 3
同じ立体を 個、上下逆さにして組み合わせると、ある高さの直方体になります。向かい合う頂点の縦の辺の長さの和に注目しましょう。
答えと解説
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解説を読む
の長さを求める
面 と面 は平行なので、平面 との交線 と は平行です。同じように、面 と面 は平行なので です。よって、切り口の四角形 は平行四辺形です。
で、面 と面 は合同な長方形が向かい合っているので、 から に進むと 上がるのと同じく、 から に進むと 上がります。よって
( なので、 は辺 上にあります。)
したがって、頂点 を含む方の立体(切り口より下の部分)は、底面が長方形 で、 本の縦の辺の長さが で 、、、 の立体です。
体積を求める
この立体と合同な立体をもう 個用意し、上下を逆さにして、さらに底面の長方形の中心のまわりに 回して、もとの立体の上に重ねます。すると、もとの立体の , , , の真上には、それぞれ縦の辺の長さが , , , の部分が重なり、どの頂点でも縦の長さの合計が
になります。 個の立体の切り口はどちらも平面で、ぴったり重なるので、 個を合わせると、底面が 、高さ の直方体になります。
よって、求める体積はこの直方体の体積の半分で
別解
平面 は底面 に対して傾いた平面である。底面は平行四辺形(長方形)で、切断面 も平行四辺形になる。、 より、 となる。(座標で , , とすると、平面は で、 での高さは 。) なので は辺 上にある。
頂点 を含む方の立体は、底面 の上に、, , , の真上の高さがそれぞれ , , , の柱を、斜めの面で切り取ったものである。
この立体と同じものをもう 1 つ用意し、上下を逆にして( と 、 と が入れ替わるように底面の上で 回転させて)組み合わせると、各頂点の真上の高さの和がどこも になり、底面 、高さ の直方体になる。その体積は 。
よって 1 つの立体の体積は 。
検算: 底面積 に、4 つの高さの平均 をかけると で一致する。 は平面の下側(高さ )にあるので、 を含む方はこの立体である。