隨便用 GeoGebra 弄個 movie,見:
這不過是常見問題。初中同學知:平面上三角形的中線共點(稱該點為重心或形心 centroid),那麼立體的情況如何?
如片段所見,三角錐體的 4 條中線 和 3 條 bimedians(不懂中譯如何)也共點。
為何?修 M2 同學可以利用向量證之如下:
設 A,B,C,D 的位置向量(position vectors,簡稱「位置」,下同)為 ,
,
,
。
三角形 ABC 的形心,X,其位置是 ,自然猜想
三角錐 ABCD 的所謂形心,G,其位置是 (即取平均也。)
這猜想正確嗎?
考慮 G’ 為其中一條中線(median)線段 DX 上的分點,當中 DG’ : G’X = r : 1。於是 G’ 的位置是
如果故意命 G’=G,即
真可解出 r=3。
也就是說,G 在 DX 上,當中 DG : GX = 3 : 1。
(由於 ,
,
,
地位相同,易知 G 同樣在其餘 3 條中線上,證畢,不過都係具體寫出來,如下)
類似地,考慮
三角形 ABD 的形心,Y,其位置是 ,
那麼 CY 上,在 3 : 1 的位置的分點是
也就是說,G 在 CY 上,當中 CG : GY = 3 : 1。
同理,
設三角形 ACD 的形心為 Z,G 在 BZ 上,當中 BG : GZ = 3 : 1。
設三角形 BCD 的形心為 W,G 在 AW 上,當中 AG : GW = 3 : 1。
所以,4 條中線 AW, BZ, CY, DX 共點於 G。
另外,
設 AB 和 CD 的中點分別為 U 及 V;
設 AC 和 BD 的中點分別為 S 及 T;
設 BC 和 AD 的中點分別為 Q 及 R;
M2 同學,當簡單練習試試:證明 bimedians UV, ST, QR 也交於 G。
多年前,引入了繪 3D 的軟件作教學後,這問題就好像熱起來。但證明,其實唔難。另外,可否以物理上的重心(centre of gravity)去處理?想一想。
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