にゃんこ先生の自作問題、四角形の対角線の交点をベクトルで表したときに見つけた等式
にゃんこ先生といいます。
平面上に四角形ABCDがあるとします。4点は順に左回りとします。
また、同じ平面上に原点Oがあって、ベクトルOA=aなどと、矢印を省いて書くことにします。
直線ACと直線BDの交点Pを書き表したいと思います。
AP:PC=△ABD:△BCDから、
p=(△BCD/□ABCD)a+(△ABD/□ABCD)c
と書けます。
ここで、2次元ベクトルの第三成分を0として、3次元ベクトルとみなします。すると、外積を用いて、
△BCD=|(c-b)×(d-b)|/2=|b×c+c×d+d×b|/2
などとなります。三角形の面積を符号付面積と考えて、
△BCD=△OBC+△OCD+△ODB=|b×c+c×d+d×b|/2
と考えることも出来ます。したがって、整理して、
(|a×b+b×c+c×d+d×a|)p=|b×c+c×d+d×b|a+|a×b+b×d+d×a|c
となります。また、図から、
(|a×b+b×c+c×d+d×a|)p=|a×c+c×d+d×a|b+|a×b+b×c+c×a|d
となります。したがって、
|b×c+c×d+d×b|a+|a×b+b×d+d×a|c=|a×c+c×d+d×a|b+|a×b+b×c+c×a|d
という等式を見つけたのですが、これだけ見て、代数的に等しいことを示すにはどうやったらよいのでしょうか?
また、3次元空間で、平面ABCD外に原点Oがあって、ベクトルOA=aなどと、矢印を省いて書くことにします。
AP:PC=△ABD:△BCD=四面体OABD:四面体OBCD
で、
四面体OBCD=det(b,c,d)/6=(b×c)・d/6
となることから、
det(b,c,d)a+det(a,b,d)c=det(a,c,d)b+det(a,b,c)d
や
{(b×c)・d}a+{(a×b)・d}c={(a×c)・d}b+{(a×b)・c}d
という等式を見つけたのですが、これだけ見て、代数的に等しいことを示すにはどうやったらよいのでしょうか?
いいアイデアがありましたら教えてください。
△ABCなどの面積を、平面ベクトルa,b,cと内積,根号を用いて、
(2△ABC)^2=|a-c|^2*|b-c|^2-{(a-c)・(b-c)}^2
=(a^2)(b^2)+(b^2)(c^2)+(c^2)(a^2)-2(a^2)(bc)-2(b^2)(ca)-2(c^2)(ab)-(ab)^2-(bc)^2-(ca)^2+2(ab)(ca)+2(bc)(ab)+2(ca)(bc)
ただし、a・a=a^2、bc=b・cなどと略記
と表されることからも等式が見つかります。
複雑すぎて等式を書くことはしませんが、その等式だけ見て、代数的に等しいことを示すにはどうやったらよいのでしょうか?