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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 6/7 步:解出中心到 Q 的距离的平方
通俗地说

对 A、B、C 具体选取的所有依赖都消失了,从而揭示出一个隐藏的不变量。

∣Q∣2=3R2−2d2|Q|^2 = 3R^2 - 2d^2
详细分析

上一等式两边的 −2Q⋅P-2Q\cdot P 相互抵消,剩下 ∣Q∣2+d2=3R2−d2|Q|^2+d^2 = 3R^2-d^2,即 ∣Q∣2=3R2−2d2|Q|^2 = 3R^2-2d^2——这个值只依赖于固定半径 RR 与固定距离 d=∣OP∣d=|OP|,与 A,B,CA,B,C 的选取无关。