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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 6/7: 中心から Q までの距離の2乗を解く
ざっくり言うと

A, B, C の具体的な選び方への依存がすべて消え、隠れた不変量が明らかになる。

∣Q∣2=3R2−2d2|Q|^2 = 3R^2 - 2d^2
詳しい解説

前の等式の両辺で −2Q⋅P-2Q\cdot P の項が打ち消し合い、∣Q∣2+d2=3R2−d2|Q|^2+d^2 = 3R^2-d^2、すなわち ∣Q∣2=3R2−2d2|Q|^2 = 3R^2-2d^2 が残る——これは固定された半径 RR と固定された距離 d=∣OP∣d=|OP| のみに依存し、A,B,CA,B,C の選び方にはよらない値である。