座標を設定する。
a=(1,0,0) とおいてよい。∣b∣=1, a⋅b=t より
b=(t,s,0),s=1−t2 (>0, −1<t<1)
とできる(s=0すなわちt=±1は a,b が平行になり四面体を作れないため除く)。
c=(x,y,z) とし、∣c∣=1, a⋅c=t, b⋅c=t を用いる。
a⋅c=t⇒x=t
b⋅c=t⇒tx+sy=t⇒t2+sy=t⇒y=st(1−t)
∣c∣2=1 より
z2=1−x2−y2=1−t2−1−t2t2(1−t)2=1−t2(1−t2)2−t2(1−t)2
分子は (1−t)2{(1+t)2−t2}=(1−t)2(1+2t) なので
z2=1−t2(1−t)2(1+2t)=1+t(1−t)(1+2t)(−1<t<1)
(1) 範囲の決定
−1<t<1 では 1+t>0、また 1−t>0 なので、z2≥0 となる条件は
1+2t≥0⟺t≥−21
z=0(t=−21)のときは c が xy平面上に来て O,A,B,Cは同一平面上(四面体が潰れる)。よって非退化な四面体ができる条件は
−21<t<1
(2) V(t) の計算
四面体OABCの体積は
V=61det1tt0sy00z=61∣sz∣
ここで
s2z2=(1−t2)⋅1+t(1−t)(1+2t)=(1−t)2(1+2t)
−21<t<1 で 1−t>0, 1+2t>0 なので
∣sz∣=(1−t)1+2t
よって
V(t)=61(1−t)1+2t(−21<t<1)
(3) 最大値
V(t)≥0 なので V(t) の最大化は
f(t):=36V(t)2=(1−t)2(1+2t)=2t3−3t2+1
の最大化と同値。
f′(t)=6t2−6t=6t(t−1)
定義域 −21<t<1 内での符号を調べると、
- −21<t<0 のとき t<0, t−1<0 なので f′(t)>0(増加)
- 0<t<1 のとき t>0, t−1<0 なので f′(t)<0(減少)
したがって t=0 で f(t) は極大かつ最大となる。
f(0)=1
よって
V(0)=611=61
(これは a,b,c が互いに直交する単位ベクトルのとき、四面体OABCが単位立方体の頂点をなす三角錐であることに対応し、体積 61 と一致して妥当である。)
以上より、t=0 のとき最大値 V=61。