2019.02.21記
は 平面に含まれ,,,, を頂点とする.
は 平面に含まれ,,,, を頂点とする.
は 平面に含まれ,,,, を頂点とする.
ここで とする.このとき次の問に答えよ.
(1) の面積,および と原点 との距離を求めよ.
(2) 四面体 および四面体 の体積をそれぞれ求めよ.
(3) ,, の 頂点から 点を選び三角形をつくる.このとき または と合同な三角形が 個えられる.これらの三角形で囲まれる二十面体を とする. なる に対して
,
とおくとき の体積 を の関数 として表せ.
(4) において は最大値をとることを示し,そのとき の値を求めよ.
図
(1)は1辺の長さがの正3角形なので,面積はとなる.三角形と原点との距離は三角形の重心 と原点の距離で となる.
(2)四面体 の体積は(1)からとなる.また四面体 の体積は (の座標) となる.
(3) 20面体は四面体 が8個と四面体が12個からなるので,
となり を代入すると
となる.
解説:は最初の長方形のたてよこ比である。ここでであるから,20個の頂点は単位球面上にある。
比が黄金比とは限らない、対角線の長さが2となるような3枚の長方形を同じように組み合わせて20面体を作り(すると12の頂点は単位球面上にある)、その立体の体積の最大値を求める問題である。このある種の対称性に基づいて配置された12点から作られる20面体の体積が最大となるのは正20面体であることが計算により確かめられる。
この20面体は正3角形8枚と2等辺3角形12枚からできており、のときは2等辺3角形の底辺の長さが0となり、つぶれてなくなってしまうので、正8面体になる。
のときは2等辺3角形が直角2等辺3角形となるが、その直角2等辺3角形が2枚で正方形となるので、正3角形8枚と正方形6枚からなる立方8面体になる。
この、たてよこ比が黄金比となる長方形3枚を使って作られる正20面体のことをパチョーリ(Luca Pacioli)の正20面体という。