Квант

54

В 1962 году поступавшие на международно-математический факультет МГУ столько с такой задачей.

Задача 1. В треугольной парамиде ABCD высота AK проходит через точку K пересечения высот основания BCD, а боковые ребра AB и AC взаимно перепределились. Найти отношение площадей боковых границ ADB и ADC, если AB=b, AC=c.

Это столько новение было не в ползу большинства школьников. Почему? Так ли уж трудна задача? Мы советуем вам подумать самостояльно над этой и других почительными конкурсными задачими, которые здесь будут рассматривать, а если у вас будет затруднения, мы попробуем вместе разобраться в принципах неудачи.

Многие, по-видимому, решили, что все зависит от хитроумных вычислений, потому что привыкли решать в школе в основном задачи на вычисление. А между тем изоминка задачи заключится «только» в том, чтобы доказать, что AD⊥AB, AD⊥AC, и тогда все просто:

SΔADB=12AD⋅AB=12AD⋅b,S_{\Delta ADB} = \frac{1}{2} AD \cdot AB = \frac{1}{2} AD \cdot b,

SΔADC=12AD⋅AC=12AD⋅c,S_{\Delta ADC} = \frac{1}{2} AD \cdot AC = \frac{1}{2} AD \cdot c,

SΔADBSΔADC=bc.\frac{S_{\Delta ADB}}{S_{\Delta ADC}} = \frac{b}{c}.

Таким образом, главное в задаче — это доказательство факта, который, как мы увидим, основан на важном разделе стереометрии «Прямы и плоскости». Мы еще вернемся к нашему примеру. А сейчас подчеркием, что причина многоих неудач в стереометрии — это недооценка раздела «Прямы и плоскости». Теоремы этого раздела часто usваиваются формульно и не закрепляются на решении достаочного числа серверных стереометрических задачи. Между тем решения стереометрической задачи почти всегда опирается на теоремы, выражающие отношения между прямыми и плоскостями: параллельность и перепределкулярность, углы и расстояния, принадлежность и пересечение. Будет очень полезно, если, разбирая наши решения, вы подметите места, где применяется та или иная теорема, и сформируйте четко каждую из них.

Возьем отношение перепределкулярности прямой и плоскости, которое играет решающего роль в первой задаче, да и во многих других задачах. Известна такая теорема.

Теорема 1. Если прямая h перепределкулярна двум прямым m и n плоскостями P, проходящим через точку K пересечения h с плоскостью P, то прямая h перепределкулярна любой прямой плоскости P, проходящей через K.

57

бую плоскость PP не изменится, если плоскость PP заменить плоскостью P′∥PP' \parallel P (рис. 5).

Действительно, фигура A1D1C1B1A2D2C2B2A_1D_1C_1B_1A_2D_2C_2B_2 — прямогольная призма, а две проекции четырехугольника (A1B1C1D1(A_1B_1C_1D_1 и A2B2C2D2)A_2B_2C_2D_2) — ее равные основания. Поэтому проекции четырехугольника ABCDABCD остаются по-прежнему квадратами со стороны aa, если мы будем считать, что плоскости Q′Q' и Q′′Q'' каждой параллельно самой себе пересечены в точку AA. Это упростит чертеж и вычисления.

  1. Если проекция четырехугольника ABCDABCD — квадрат, то сам четырехугольник ABCDABCD — параллелограмм.

Это следует из того, что плоскость ADD1A1ADD_1A_1 (рис. 5) параллельна плоскости BCC1B1BCC_1B_1 (A1D1∥B1C1(A_1D_1 \parallel B_1C_1 и AA1∥BB1)AA_1 \parallel BB_1), а в таком случае AD∥BCAD \parallel BC; аналогично AB∥DCAB \parallel DC.

  1. По условию AB′=AB′′=aAB' = AB'' = a. Проведем через проектирующие перпендикуляры BB′BB' и BB′′BB'' (рис. 4) плоскость BB′B′′B′′′BB'B''B'''. Эта плоскость перпендикулярна и плоскости Q′Q', и плоскости Q′′Q'' (по какой теореме?).

Поэтому прямая ll перпендикулярна плоскости BB′B′′B′′′BB'B''B''' и ⇒B′B′′B′′′=90∘\Rightarrow B'B''B''' = 90^\circ (плоскости Q′Q' и Q′′Q'' перпендикулярны). Таким образом, BB′B′′B′′′BB'B''B''' — прямогольник. Но прямогольный треугольник ABB′ABB' равен треугольнику ABB′′ABB'' (вспомним, что AB′=AB′′=aAB' = AB'' = a), поэтому BB′=BB′′BB' = BB'' и, значит,

BB′=B′B′′BB' = B'B''

Аналогично доказывается, что

DD′=D′D′′DD' = D'D''

(как бы ни расположалась точка DD относительно плоскости Q′Q' и Q′′Q'').

На этой основе проводим, наконец, несколько подсчеты.

ВЫЧИСЛЯЯ. Так как по условию AB=a25AB = \frac{a}{2}\sqrt{5} и AB′=aAB' = a, то B′B′′=BB′=(a25)2−a2=a2B'B'' = BB' = \sqrt{\left(\frac{a}{2}\sqrt{5}\right)^2 - a^2} = \frac{a}{2}. Следовательно, в прямогольном треугольнике AB′AB' не изменится, если плоскость P′∥PP' \parallel P (рис. 5).

Рис. 5.

угольник AB′B′′′AB'B''' выполняется соответствующая: B′B′′′=12AB′B'B''' = \frac{1}{2}AB' и ⇒B′AB′′′=30∘\Rightarrow B'AB''' = 30^\circ. Но ⇒B′AD′=90∘\Rightarrow B'AD' = 90^\circ, значит, ⇒D′AD′′′=60∘\Rightarrow D'AD''' = 60^\circ. Значит, что AD′=aAD' = a, находим

DD′=D′D′′=a32DD' = D'D'' = \frac{a\sqrt{3}}{2}

И, наконец, из прямогольного треугольника ADD′ADD' находится

AD=a2+(a32)2=a27AD = \sqrt{a^2 + \left(\frac{a\sqrt{3}}{2}\right)^2} = \frac{a}{2}\sqrt{7}

Так как ABCDABCD — параллелограмм, то его перimetр равен

2(AB+AD)=a(5+7)2(AB + AD) = a(\sqrt{5} + \sqrt{7})

Следующая задача predлагалась на письменном экзамене физического факультета МГУ в 1964 году.

Задча 4. Из концов отрезка AB=aAB = a исходят два луца Ax⊥ABAx \perp AB и By⊥ABBy \perp AB, причем Ax⊥ByAx \perp By. На луце AxAx отложен отрезок AP=uAP = u, а на луце ByBy — отрезок BQ=vBQ = v мак, что 2uv=a22uv = a^2. Доказать, что рассмотрение от середины отрезка ABAB до прямой PQPQ равняется a2\frac{a}{2}.

58

Если вдуматься в условие задачи, то можно заметить неожиданность факта, который нам предстоит доказать. В самом деле, отрезок PQPQ (рис. 6) не занимает фиксированного положения, так как отрезки AP=uAP=u и BQ=vBQ=v могут меняться, лишь бы только 2uv=a22uv=a^2 оставалось постоянным. И тем не менее расстояние от середины ABAB до подвижного отрезка PQPQ должно оставаться неизменным, а именно a2\frac{a}{2}.

Решен и е. Так как AB⊥APAB \perp AP, то BP2=u2+a2BP^2=u^2+a^2. Но BQ⊥ABBQ \perp AB и BQ⊥APBQ \perp AP (по условия), следовательно, по теореме 2 прямая BQBQ перпендикулярна плоскости ABPABP, и значит BQ⊥BPBQ \perp BP, то есть △BQP\triangle BQP — прямойный, и PQ2=BP2+BQ2=u2+a2+v2PQ^2=BP^2+BQ^2=u^2+a^2+v^2. А так как 2uv=a22uv=a^2, то PQ2=u2+2uv+v2=(u+v)2PQ^2=u^2+2uv+v^2=(u+v)^2, то есть PQ=u+vPQ=u+v.

Итак, мы обнаружили, что всегда PQ=BQ+APPQ=BQ+AP. Этот факт, как мы увидим, и является причины того, что OK=AB2OK=\frac{AB}{2}. Чтобы в этом убедиться, достаточно внимательно пристрется к рисунку 6, увидеть его пространство. Если мы следенно оторвать прямойные треугольники OBQOBQ и OAPOAP от фигуры, помещить их в одну плоскость с треугольником OPQOPQ, то можно заметить, что треугольник, сложный из OBQOBQ и OAPOAP (рис. 7, a), оказывается равным треугольнику OPQOPQ (рис. 7, б) именно потому, что PQ=PA+BQPQ=PA+BQ. Это и доказывает, что OK=a2OK=\frac{a}{2}.

З а д а ча. 5. (МГУ, механизм, 1971). Все грани треугольной парамиды — равные равноведренные треугольники, а высота парамиды совпадает с высотой одной из ее боковых граней. Найти объект парамиды, если расстояние между набольшими промироволочными ребрами равно единице.

Решен и е. Пусть ABCDABCD — данная парамида (рис. 8), где, согласно условиям, AB=AC=BD=CDAB=AC=BD=CD и AD=BCAD=BC (нетрудно показать, что в точности два противоположных ребра парамиды должны равнять основанию равноведренного треугольника). Обозначим длину высоты DKDK парамиды через hh (мы пока не знаем, где лежит точка KK). Нам предстоит прежде всего выяснить, какие ребра парамиды будут наибольшими и в какой грани лежит высота парамиды.

Высота парамиды не может лежать ни в грани ADCADC, ни в равной ей грани ABDABD, так как аналогичная высота другой грани была бы больше hh (длина наклонной больше длины перпендикура). Поэтому высота парамиды DKDK должна лежать в грани BDCBDC, и, значит, DK⊥AKDK \perp AK.

59

Рис. 9.

Но по условию DK=AK=hDK=AK=h, поэтому AD=BC=h2AD=BC=h\sqrt{2}, KC=h22KC=\frac{h}{2}\sqrt{2} и DC=h2+(h22)2=h32DC=\sqrt{h^2+\left(\frac{h}{2}\sqrt{2}\right)^2}=h\sqrt{\frac{3}{2}}.

Итак, ребра ADAD и BCBC больше ребер ABAB, ACAC, BDBD, CDCD. Опустим из точки KK перpendикуляр на ребро AD:KM⊥ADAD:KM \perp AD. Раз BC⊥DKBC \perp DK и BC⊥AKBC \perp AK, то BC⊥KMBC \perp KM. Следовательно, KMKM есть общий перpendикуляр ребер ADAD и BCBC, и по условию он равен 1; но в равно-бедренном прямогольном треугольнике ADKADK выполняется равенства KM=12AD=h22KM=\frac{1}{2}AD=\frac{h}{2}\sqrt{2}, откуда 12h2=1\frac{1}{2}h\sqrt{2}=1, h=2h=\sqrt{2}.

Задача 6. (МГУ, мехмат, 1965). В треугольной парамиде SABCSABC плоские улы при вершине SS — прямые. Доказать, что вершина SS, точка GG пересечения медиан основания ABCABC и центр OO описанного около парамиды шара приадлежат одной прямой.

Решение. Точка PP (рис. 9) является центром окружности, описанной около треугольника ABCABC, так как AP=PCAP=PC, ⇒ASC=90∘\Rightarrow ASC=90^\circ. Прямая, соединяющая центр шара с центром окружности сечения, перpendикулярна плоскости сечения, то есть PO⊥ACSPO \perp ACS. Аналогично QO⊥BCSQO \perp BCS. Но SB⊥ACSSB \perp ACS и AS⊥BCSAS \perp BCS, потому что все плоские улы при вершине SS — прямые. Значит, PO∥SBPO \parallel SB, и точки P,O,SP, O, S и BB лежат в одной плоскости, а также OQ∥ASOQ \parallel AS, и точки O,Q,AO, Q, A лежат в одной плоскости. У этих плоскостей есть две (несовпадающие) общие точки SS и OO, поэтому прямая SOSO — линя пересечения этих плоскостей. В первой плоскости лежит медиана BPBP, а во второй — медиана AQAQ, следовательно, точка GG пересечения медиан лежит в обеих плоскостях, то есть на прямой SOSO пересечения плоскостей, а это и требовалось доказать.

Упражнения

  1. Доказать теорему о трех перпендикулярах, опираясь на теорему 2.
  2. Доказать, что ortоцентрическими прямидами являются все правильные треугольные прямиды и все треугольные прямиды с прямыми плоскими углами при вершине.
  3. (МГУ, мехмат, 1969). Прямойольные проекции треугольника ABCABC на две взяимно перпендикулярные плоскости являются правильными треугольниками со стороны, равными 1. Найти перimeter треугольника ABCABC, если известно, что AB=125AB=\frac{1}{2}\sqrt{5}.
  4. (МГУ, мехмат, 1970). Отрезок ABAB единчной длины, являющийся хордой сферы радиуса 1, расположен под углом π/3π/3 к диаметру CDCD этой сферы. Расстояние от конца CC диаметра до ближайшего к нему конца AA хорды равно 2\sqrt{2}. Определить величины отрезка BDBD.
  5. (МГУ, мехмат, 1971). Основание четырехугольной парамиды — квадрат, а все боковые грани — прямойольные треугольники, у которых вершины прямых углов лежат на основании парамиды. Найти объем парамиды, если ее высота равна единице, а один из двумерных углов при вершине равен 120∘120^\circ.
  6. (физфак. МГУ, 1970). В треугольной парамиде SABCSABC все ребра равны друг друг. На ребре SASA взята точка MM такая, что SM=MASM=MA, на ребре SBSB — точка NN такая, что SN=SB/3SN=SB/3. Через точки MM и NN проведена плоскость, параллельная медиан ABCABC. Найти отношение объема треугольной парамиды, отсекаем от исходной проведенной плоскости, к объему парамиды SABCSABC.
  7. Три зеркала образуют треугольный угол, все двумерные углы которого прямые. Показать, что луч света, приведший в этот треугольный угол по прямой ll, после отражения от зеркальных поверхностей уйдет по прямой, параллельной ll.
  8. Построить отрезок, имеющий заданную длину, параллельный данной плоскости, причем концы отрезка должны лежать на двух скрещивающих прямых.