原点四面体OABC体积求解问询:三角形ABC顶点分处坐标轴正半轴
你原来想用海伦公式求三角形面积再乘1/3高的思路没问题,但难点确实在于原点到平面ABC的距离很难直接求,换个坐标法的思路会更顺畅:
先设三个顶点的坐标:因为A在x轴正半轴,B在y轴正半轴,C在z轴正半轴,所以可以设:
- A(a, 0, 0),其中a>0
- B(0, b, 0),其中b>0
- C(0, 0, c),其中c>0
接下来根据三角形ABC的边长写出坐标对应的距离方程:
三角形的三边长度分别是5、6、7,对应坐标轴上两点间的距离公式(比如AB的长度是$\sqrt{a^2 + b^2}$),我们可以列出三个方程:√(a² + b²) = 5 → a² + b² = 25 (1) √(b² + c²) = 6 → b² + c² = 36 (2) √(a² + c²) = 7 → a² + c² = 49 (3)(注:这里的边长对应关系不影响最终结果,不管哪条边对应哪个距离,计算出的体积都是一样的)
解这个方程组求a、b、c的值:
把三个方程相加,得到:2(a² + b² + c²) = 25 + 36 + 49 = 110所以
a² + b² + c² = 55然后用这个式子分别减去原来的三个方程:
- 减去(1)式:
c² = 55 - 25 = 30→c = √30 - 减去(2)式:
a² = 55 - 36 = 19→a = √19 - 减去(3)式:
b² = 55 - 49 = 6→b = √6
- 减去(1)式:
最后计算四面体体积:
对于原点O和三个坐标轴上点构成的四面体,体积公式是V = (1/6)abc(本质是底面积为$\frac{1}{2}ab$,高为c,体积=$\frac{1}{3}×$底面积×高=$\frac{1}{3}×\frac{1}{2}ab×c=\frac{1}{6}abc$)代入a、b、c的值:
abc = √19 × √6 × √30 = √(19×6×30) = √(19×180) = √(36×95) = 6√95所以体积
V = (1/6)×6√95 = √95 ≈ 9.75
如果一定要用你最初的思路验证的话,也可以:先用海伦公式算出三角形ABC的面积,再用平面ABC的方程求原点到平面的距离h,体积=$\frac{1}{3}×S×h$。比如平面ABC的方程是$\frac{x}{a} + \frac{y}{b} + \frac{z}{c}=1$,原点到平面的距离$h=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{a2}+\frac{1}{b2}+\frac{1}{c2}}}$,代入$a2=19,b2=6,c2=30$,计算$\frac{1}{a2}+\frac{1}{b2}+\frac{1}{c^2}=\frac{1}{19}+\frac{1}{6}+\frac{1}{30}=\frac{30+95+19}{19×30}=\frac{144}{570}=\frac{24}{95}$,所以$h=\sqrt{\frac{95}{24}}$。然后海伦公式算ABC的面积:半周长$s=\frac{5+6+7}{2}=9$,面积$S=\sqrt{9×(9-5)×(9-6)×(9-7)}=\sqrt{9×4×3×2}=6\sqrt{6}$。最后$\frac{1}{3}×S×h=\frac{1}{3}×6\sqrt{6}×\sqrt{\frac{95}{24}}=\sqrt{95}$,结果完全一致。
内容的提问来源于stack exchange,提问作者K. King




