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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 2/7: 直交する辺の和が PQ であることを確認する
ざっくり言うと

直方体の空間対角線 PQ は、まさに P から出る3本の直交する辺の和である。

PA⃗+PB⃗+PC⃗=Q−P\vec{PA}+\vec{PB}+\vec{PC} = Q-P
詳しい解説

前のステップより A+B+C−3P=Q−PA+B+C-3P = Q-P であり、左辺は定義により PA⃗+PB⃗+PC⃗\vec{PA}+\vec{PB}+\vec{PC} に他ならないので、この3つの互いに直交するベクトルの和は PQ⃗\vec{PQ} に等しい。