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 5/7: ピタゴラスの恒等式に代入し直す
ざっくり言うと

両辺は同じ長さの2乗を2通りの方法で表しているので、等式として結び付けて簡約化できる。

∣Q∣2−2Q⋅P+d2=3R2−2(Q⋅P+2d2)+3d2|Q|^2-2Q\cdot P+d^2 = 3R^2 - 2(Q\cdot P+2d^2)+3d^2
詳しい解説

左辺は ∣PQ⃗∣2=∣Q−P∣2|\vec{PQ}|^2=|Q-P|^2 である。右辺は前のステップの和 3R2−2(A+B+C)⋅P+3d23R^2-2(A+B+C)\cdot P+3d^2 に A+B+C=Q+2PA+B+C=Q+2P を代入したもので、Q⋅PQ\cdot P、∣Q∣2|Q|^2、RR、dd のみからなる1つの式が得られる。