三角形の重心は中線と対辺の頂点をそれぞれ結んだ線分の交点だということは
分かるのですが、四面体の重心の求め方がよく分かりません。
質問<361>の回答として武田先生は「四面体の重心Gは、頂点Aから底面BCD
の重心Hに引いた線分を3:1に内分した点である」と書いていらっしゃいま
すが、3:1になる理由と証明の仕方を教えていただけませんか。
★希望★完全解答★
三角形の重心は中線と対辺の頂点をそれぞれ結んだ線分の交点だということは
分かるのですが、四面体の重心の求め方がよく分かりません。
質問<361>の回答として武田先生は「四面体の重心Gは、頂点Aから底面BCD
の重心Hに引いた線分を3:1に内分した点である」と書いていらっしゃいま
すが、3:1になる理由と証明の仕方を教えていただけませんか。
★希望★完全解答★
→ → → →
四面体ABCDの位置ベクトルを、A(a)、B(b)、C(c)、D(d)と
すると、
各頂点から対面の三角形の重心へ引いた線は1点で交わり、それが四面体の重心
となる。
→
A-BCDをs:1-sに内分する点G1(g1)と、B-ACDをr:1-rに
→
内分する点G2(g2)は一致するから、
→ → →
→ b+c+d
(1-s)a+s(―――――――) → → → →
→ 3 3(1-s)a+s(b+c+d)
g1=―――――――――――――――――=――――――――――――――――
s+(1-s) 3
→ → →
→ a+c+d
(1-r)b+r(―――――――) → → → →
→ 3 3(1-r)b+r(a+c+d)
g2=―――――――――――――――――=――――――――――――――――
r+(1-r) 3
→ →
g1=g2より、
→ → → → → → → →
3(1-s)a+s(b+c+d)=3(1-r)b+r(a+c+d)
→ → → → →
(3-3s-r)a+(s-3+3r)b+(s-r)c+(s-r)d=0
各ベクトルの実数倍が0となるから、連立して、
{3-3s-r=0………①
{s-3+3r=0………②
{s-r=0 ………③
{s-r=0 ………④
③より、s=r
これを①に代入して
3-3s-s=0
3-4s=0
3
∴s=―
4
3 1
s:1-s=―:―=3:1
4 4
したがって、
A-BCDの線AG1を3:1に内分する点が、四面体の重心Gとなる。
→
ちなみに、G(g)は、
→ → →
→ b+c+d
1・a+3・――――― → → → →
→ 3 a+b+c+d
g=――――――――――――=―――――――
3+1 4