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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

解决四面体OABC体积的思路

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 = 30c = √30
    • 减去(2)式:a² = 55 - 36 = 19a = √19
    • 减去(3)式:b² = 55 - 49 = 6b = √6
  • 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

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