Geometry · real student question

正方形の隣り合う2頂点が A(2, −1) と B(−1, 3) である。残り2頂点の座標を求めよ。

Question

正方形の隣り合う2頂点が

A(2,1)B(1,3).A(2,-1)\qquad\text{と}\qquad B(-1,3).

である。残り2頂点の座標を求めよ。

Step-by-step solution

  1. 与えられた辺をベクトルに直す。 AABB隣り合う頂点なので、線分 ABAB は対角線ではなく正方形の1辺そのものである。そのベクトルは

    AB=BA=(12,  3(1))=(3,4),\overrightarrow{AB}=B-A=(-1-2,\;3-(-1))=(-3,\,4),

    で、長さは AB=(3)2+42=5|\overrightarrow{AB}|=\sqrt{(-3)^2+4^2}=5 である。つまり正方形の1辺は 55 である。

  2. そのベクトルを90°回転して隣の辺を得る。 正方形では隣り合う辺は垂直で長さが等しい。これはまさに 9090^\circ 回転が作り出すものである。(x,y)(x,y) を反時計回りに回すと (y,x)(-y,x)、時計回りに回すと (y,x)(y,-x) になるので、(3,4)(-3,4) からの候補は

    (4,3)(4,3),(-4,-3)\qquad\text{と}\qquad(4,3),

    の2つで、どちらも長さ 55 である。回転が2通りあるということは、ABAB の両側に1つずつ、正方形も2通りあるということである。この問題文のままでは答えが2つあり、片方だけ答えるのは不完全である。

  3. 場合1:(4,3)(4,3) だけ平行移動する。 このベクトルを与えられた各頂点に足すと、辺 ABAB が正方形の反対側の辺までずれる:

    D=A+(4,3)=(6,2),C=B+(4,3)=(3,6).D=A+(4,3)=(6,2),\qquad C=B+(4,3)=(3,6).

    正方形は A(2,1)A(2,-1)B(1,3)B(-1,3)C(3,6)C(3,6)D(6,2)D(6,2) である。

  4. 場合2:(4,3)(-4,-3) だけ平行移動する。 逆向きの回転を使うと、鏡像の正方形が得られる:

    D=A+(4,3)=(2,4),C=B+(4,3)=(5,0).D=A+(-4,-3)=(-2,-4),\qquad C=B+(-4,-3)=(-5,0).

    正方形は A(2,1)A(2,-1)B(1,3)B(-1,3)C(5,0)C(-5,0)D(2,4)D(-2,-4) である。

  5. どちらの正方形も検証する。 どちらの場合も4辺はすべて長さ 55 で、2本の対角線はどちらも 527.0715\sqrt{2}\approx 7.071 である。対角線が等しく、その長さが 1辺×2\times\sqrt2 になることが、正方形をひし形と区別する。内積 ABBC=0\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{BC}=0 がどちらの場合も成り立ち、直角であることが確認できる。

Answer

C(3,6), D(6,2)またはC(5,0), D(2,4)C(3,6),\ D(6,2)\quad\text{または}\quad C(-5,0),\ D(-2,-4)

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