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第2题

在一个固定球的内部取一个固定点 PP。作三条两两垂直的线段 PA,PB,PCPA, PB, PC,其端点 A,B,CA, B, C 都在球面上。以 QQ 为棱作长方体,设 PP 为其中与 PA,PB,PCPA, PB, PC 相对的顶点。当 QQ 取遍所有符合条件的位置时,求点 A,B,CA, B, C 的轨迹。
第 4/7 步:利用球面条件展开每条棱的长度
通俗地说

展开每个距离的平方,把几何求和变成关于位置向量的纯代数式。

∣X−P∣2=R2−2X⋅P+d2 for X∈{A,B,C},A+B+C=Q+2P|X-P|^2 = R^2 - 2X\cdot P + d^2 \text{ for } X\in\{A,B,C\},\quad A+B+C = Q+2P
详细分析

由 ∣A∣=∣B∣=∣C∣=R|A|=|B|=|C|=R 且 ∣P∣=d|P|=d,每一项 ∣PA⃗∣2=∣A−P∣2|\vec{PA}|^2=|A-P|^2 展开为 R2−2A⋅P+d2R^2-2A\cdot P+d^2,B,CB,C 同理;求和时用到第一步的 A+B+C=Q+2PA+B+C=Q+2P。