穴開き立方体の切断

 2000年1月に行われた第18回北海道数学コンテストに立方体の切断についての面白い問題が出されたので紹介します.

 次の図のように1辺が3の立方体の頂点Aから,各頂点B,C,Dへ向かって同じ一定の速さで3点P,Q,Rが動くとします.AP=AQ=AR=xとして断面積PQRをxを用いて表わしなさい,というものです.
 断面は1辺が√2xの正三角形になりますから,断面積は簡単に出すことができますね.

 それでは立方体の各辺を3等分してできる中央部分の立方体をくりぬいた場合はどうでしょう.

 先ほどと違ってxの値によって断面が変わってくるので少し厄介ですね.xの値によって断面がどのように変化するか考えてみましょう.

x=1のときx=2のときx=3のとき

 0≦x≦2の範囲においては断面は正三角形になります.
 2<x≦3の範囲においては,正三角形から各辺にできた小三角形を取り除いた形になるのがわかります.
 某メーカーのロゴマークに似ていますね.

 断面積を求めてみましょう.

 これをグラフに表わすと右のようになります.

 さて更に立方体の各辺を9等分してできる中央部分の立方体を取り除いた立体の場合はどうでしょう.
 答は次のページをご覧下さい.

《参考資料》