
問題の解答

検索用コード(LaTeX)
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% 例題A3.3.1:直線と平面の垂直(One More)★★
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正四面体ABCDについて,次のことを示せ.
(1) 辺ABの中点をMとするとき,辺ABは平面CDMに垂直である.
(2) 辺$\mathrm{BC},\mathrm{AC},\mathrm{AD},\mathrm{BD}$の中点をそれぞれ$\mathrm{P},\mathrm{Q},\mathrm{R},\mathrm{S}$とするとき,四角形PQRSは正方形である.
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% 例題A3.3.1の解答(One More)★★
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(1) $\mathrm{CM},\mathrm{DM}$はそれぞれ,正三角形である$\triangle\mathrm{ABC}$と$\triangle\mathrm{ABD}$の中線であるから,
\[
\mathrm{CM}\perp\mathrm{AB},\mathrm{DM}\perp\mathrm{AB}
\]
よって,辺$\mathrm{AB}$は平面$\mathrm{CDM}$に垂直である.$\blacksquare$
(2) 正四面体の各面の正三角形において,中点連結定理より,
\[
\mathrm{PQ}=\mathrm{QR}=\mathrm{RS}=\mathrm{SP}
\]
また,$\mathrm{AB}\parallel\mathrm{PQ},\mathrm{AB}\parallel\mathrm{RS}$であるから,
\[
\mathrm{PQ}\parallel\mathrm{RS}
\]
したがって,4点$\mathrm{P},\mathrm{Q},\mathrm{R},\mathrm{S}$は同一平面上にある.
さらに,$\mathrm{CD}\parallel\mathrm{QR}$であり,(1)より,$\mathrm{AB}\perp\mathrm{CD}$
ゆえに,$\mathrm{PQ}\perp\mathrm{QR}$,すなわち,$\angle\mathrm{PQR}=90^{\circ}$
よって,各辺の長さが等しく,1つの内角が$90^{\circ}$であるから,四角形$\mathrm{PQRS}$は正方形である.$\blacksquare$
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% 問題A3.3.1:直線と平面の垂直(One More)★★
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四面体$\mathrm{ABCD}$において,$\mathrm{AB}\perp\mathrm{CD},\mathrm{AC}\perp\mathrm{BD}$であるとする.このとき,$\mathrm{A}$から平面$\mathrm{BCD}$に垂線$\mathrm{AH}$を下ろしたとき,点$\mathrm{H}$は$\triangle\mathrm{BCD}$の垂心であることを示せ.
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% 問題A3.3.1の解答(One More)★★
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$\mathrm{AH}\perp$平面$\mathrm{BCD}$より,$\mathrm{AH}\perp\mathrm{CD}$
また,$\mathrm{AB}\perp\mathrm{CD}$より,$\mathrm{CD}$は平面$\mathrm{ABH}$上の交わる2直線$\mathrm{AB},\mathrm{AH}$に垂直であるから,
\[
\mathrm{CD}\perp\text{平面}\mathrm{ABH}
\]
$\mathrm{BH}$は平面$\mathrm{ABH}$上にあるから,$\mathrm{BH}\perp\mathrm{CD}\cdots(\mathrm{i})$
$\mathrm{CD}\perp$平面$\mathrm{ABH}$と同様に考えると,$\mathrm{BD}\perp\text{平面}\mathrm{ACH}$
したがって,$\mathrm{CH}\perp\mathrm{BD}\cdots(\mathrm{ii})$
よって,点$\mathrm{H}$は$\triangle\mathrm{BCD}$の垂心である.$\blacksquare$
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