MathLabs

第2問

固定された球の内部に固定点 PP をとる。頂点 PA,PB,PCPA, PB, PC が球面上にあり、互いに直交する3本の線分 A,B,CA, B, C を作る。QQ を辺とする直方体において PP と対称な頂点を PA,PB,PCPA, PB, PC とする。QQ が条件を満たすすべての位置を取るとき、点 A,B,CA, B, C の軌跡を求めよ。
ステップ 1/7: 直方体の頂点構造を使って Q を表す
ざっくり言うと

直方体では、Pから3辺すべてに沿って進むと対角の頂点に到達する。

Q=A+B+C−2PQ = A+B+C-2P
A, B, C が乗る固定された球面と、その内部の点 P。
3Dで描かれた球面。問題の固定された球を表し、表面に点 A, B, C を含む。
詳しい解説

球の中心 OO を位置ベクトルの原点とすると、QQ は直交する辺 PP の上に作られた直方体において PA,PB,PCPA,PB,PC と対称な頂点であるから、Q=P+PA⃗+PB⃗+PC⃗=A+B+C−2PQ = P+\vec{PA}+\vec{PB}+\vec{PC} = A+B+C-2P となる。