Квант

Достраивание тетраэдра

Один из красивых приёмов, который может быть использован при решении геометрических задач, состоит в замене изучаемой геометрической фигуры другой, в каком-то смысле более удобной. Так, например, если в условии задачи фигурирует треугольник, в котором проведена медиана, часто полезно достроить этот треугольник до параллелограмма, продолжая медиану на расстояние, равное ей самой. В данной статье рассматриваются несколько задач про треугольную пирамиду — тетраэдр, — которые оказывается возможным решить, достраивая тетраэдр до другого многогранника (как правило, параллелепипеда).

Первый способ достраивания пирамиды до параллелепипеда изображён на рисунке 1. Здесь AA1BDAA_1BD — данная пирамида, а плоскости граней DCC1D1DCC_1D_1, CBB1C1CBB_1C_1 и A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1 параллелепипеда проходят через одну вершину пирамиды и параллельны грани пирамиды, противолежащей этой вершине.

Задача 1. (Пункт а) задачи предлагался на вступительном экзамене на механико-математическом факультете МГУ.) Дана треугольная пирамида AA1BDAA_1BD, в которой рёбра AA1AA_1, ABAB и ADAD попарно перпендикулярны, а их длины равны соответственно aa, bb, cc.

  1. Доказать, что вершина AA пирамиды, точка пересечения медиан грани A1BDA_1BD и центр описанного шара лежат на одной прямой.
  2. Найти радиус шара, описанного около этой пирамиды.

Достроим пирамиду AA1BDAA_1BD до параллелепипеда (прямоугольного!), как показано на рисунке 1. Тогда шар, описанный около этой пирамиды, является одновременно описанным шаром и для всего параллелепипеда. Радиус этого шара равен половине диагонали параллелепипеда, а именно 12a2+b2+c2\dfrac12\sqrt{a^2+b^2+c^2}, это является ответом на пункт б).


Рис. 1

Чтобы доказать утверждение пункта а), рассмотрим прямоугольник AA1C1CAA_1C_1C (советуем сделать для него отдельный чертёж). Центр OO шара находится на диагонали AC1AC_1, медиана A1O1A_1O_1 треугольника A1BDA_1BD пересекается с AC1AC_1 в точке MM, и если мы докажем, что ∣A1M∣∣MO1∣=2\dfrac{|A_1M|}{|MO_1|}=2, то это будет означать, что MM — точка пересечения медиан треугольника A1BDA_1BD; тем самым мы докажем утверждение пункта а). Из подобия треугольников A1C1MA_1C_1M и AO1MAO_1M следует:
∣A1M∣∣MO1∣=∣A1C1∣∣AO1∣=2, \dfrac{|A_1M|}{|MO_1|}=\dfrac{|A_1C_1|}{|AO_1|}=2,
что и требовалось доказать.

Другой часто встречающийся способ достраивания тетраэдра до параллелепипеда состоит в следующем. Проведём через каждое ребро тетраэдра плоскость, параллельную противоположному ребру. Эти плоскости ограничат некоторый параллелепипед (рис. 2), диагоналями граней которого будут рёбра исходного тетраэдра.


Рис. 2

Небольшой практический совет: чертёж удобнее начинать с изображения параллелепипеда.

Задача 2. Найти радиус шара, касающегося всех рёбер правильного тетраэдра, длина ребра которого равна aa.

Как легко видеть из рисунка 2, построенный описанным способом параллелепипед будет кубом с ребром a2\dfrac a{\sqrt2}; шар, вписанный в этот куб, будет искомым. Ответ: a22\dfrac a{2\sqrt2}.

Первый из предложенных способов достраивания тетраэдра до параллелепипеда удобен, когда даны плоские углы при одной из вершин тетраэдра (особенно если все они прямые), второй используется в задачах, в которых фигурируют скрещивающиеся рёбра тетраэдра.

Задача 3. Длины двух скрещивающихся рёбер тетраэдра равны aa, два других скрещивающихся ребра имеют длину bb и оставшиеся два — cc. Найти расстояние между центром вписанного в тетраэдр шара и центром шара, касающегося одной из граней тетраэдра и продолжений остальных граней.

На рисунке 3 ABCDABCD — данный тетраэдр, а параллелепипед ограничен плоскостями, проходящими через рёбра тетраэдра параллельно противоположным рёбрам. Так как диагонали каждой грани равны соответственно противоположным рёбрам тетраэдра, которые по условию равны, то все грани параллелепипеда — прямоугольники, а сам параллелепипед — прямоугольный.


Рис. 3

Центр вписанного в тетраэдр ABCDABCD шара совпадает с точкой пересечения диагоналей параллелепипеда (докажите!), а центр шара, касающегося грани DCBDCB тетраэдра (из дальнейшего видно, что ответ не зависит от выбора грани) и продолжений его остальных граней, совпадает с вершиной LL параллелепипеда (она равноудалена от граней DCBDCB и ACDACD — для доказательства рассмотрите пирамиду B′LCDB'LCD, где ∣B′L∣=∣LB∣|B'L|=|LB|, равную пирамиде BLCDBLCD; точки AA, DD, B′B' и CC лежат в одной плоскости; аналогично доказывается, что точка LL равноудалена от плоскостей DCBDCB и ACBACB, DCBDCB и ADBADB).

Значит, расстояние, о котором говорится в условии задачи, равно половине длины диагонали параллелепипеда. Обозначим через xx, yy, zz длины рёбер параллелепипеда (см. рис. 3). По теореме Пифагора получаем систему трёх уравнений:
{x2+y2=a2,x2+z2=b2,y2+z2=c2, \left\{\begin{array}{l} x^2+y^2=a^2,\\ x^2+z^2=b^2,\\ y^2+z^2=c^2, \end{array}\right.
складывая которые, находим, что ∣AL∣2=12x2+y2+z2=12a2+b2+c22. \dfrac{|AL|}2=\dfrac12\sqrt{x^2+y^2+z^2}=\dfrac12\sqrt{\dfrac{a^2+b^2+c^2}2}.

Задача 4. Сечение тетраэдра плоскостью, параллельной двум его скрещивающимся рёбрам и равноудалённой от этих ребёр, имеет площадь SS. Расстояние между этими скрещивающимися рёбрами тетраэдра hh. Найти объём тетраэдра.


Рис. 4

Пусть ABCDA1B1C1D1ABCDA_1B_1C_1D_1 — параллелепипед, ограниченный плоскостями, проходящими через рёбра тетраэдра параллельно противоположным рёбрам (рис. 4). Тогда объём тетраэдра A1BC1DA_1BC_1D равен объёму параллелепипеда минус объёмы четырёх треугольных пирамид (одна из них A1ABDA_1ABD), объём каждой из которых равен 16\dfrac16 объёма параллелепипеда (почему?). Значит, Vтетр=13VпарV_{\text{тетр}}=\dfrac13V_{\text{пар}}. Пусть скрещивающиеся рёбра, о которых говорится в условии, — A1C1A_1C_1 и BDBD, а KLMNKLMN — сечение параллелепипеда плоскостью, проходящей через середины AA1AA_1, BB1BB_1, CC1CC_1 и DD1DD_1. Тогда вершинами сечения, о котором говорится в условии, будут середины сторон параллелограмма KLMNKLMN. Следовательно, площадь параллелограмма KLMNKLMN равна 2S2S и равна площади основания ABCDABCD параллелепипеда. Теперь найдём объёмы параллелепипеда и тетраэдра:
Vтетр=13Vпар=23Sh. V_{\text{тетр}}=\dfrac13V_{\text{пар}}=\dfrac23Sh.

С помощью только что решённой задачи нетрудно доказать справедливость формулы Симпсона, служащей для вычисления объёма многогранников специального вида.

Дан многогранник, все вершины которого лежат в двух параллельных плоскостях, находящихся на расстоянии hh друг от друга. Пусть S1S_1 — площадь грани, лежащей в одной плоскости, S2S_2 — площадь грани, расположенной во второй плоскости, а SсрS_{\text{ср}} — площадь сечения многогранника плоскостью, удалённой на расстояние h2\dfrac h2 от каждой из данных плоскостей. Тогда для объёма многогранника справедлива формула:
V=h6(S1+S2+4Sср). V=\dfrac h6(S_1+S_2+4S_{\text{ср}}).

Для доказательства проверьте, что эта формула верна, если многогранник является тетраэдром, а потом разбейте произвольный многогранник, вершины которого расположены в двух параллельных плоскостях, на тетраэдры с вершинами в этих же плоскостях: площади граней тетраэдров, расположенных в одной плоскости, в сумме дадут S1S_1, расположенных во второй плоскости дадут в сумме S2S_2, а сумма площадей средних сечений тетраэдров равна SсрS_{\text{ср}} многогранника.

В заключение приведём пример задачи, в которой оказывается удобнее достраивать тетраэдр не до параллелепипеда, а до треугольной призмы.

Задача 5. В тетраэдре площади двух граней равны S1S_1 и S2S_2, двугранный угол между ними равен α\alpha, площади двух других граней Q1Q_1 и Q2Q_2, угол между ними β\beta. Доказать, что
S12+S22−2S1S2cos⁡α=Q12+Q22−2Q1Q2cos⁡β. S_1^2+S_2^2-2S_1S_2\cos\alpha=Q_1^2+Q_2^2-2Q_1Q_2\cos\beta.


Рис. 5

Докажем сначала, что если площадь одной боковой грани треугольной призмы равна SS, две другие грани имеют площади S1S_1 и S2S_2, а двугранный угол между ними α\alpha, то S12+S22−2S1S2cos⁡α=S2. S_1^2+S_2^2-2S_1S_2\cos\alpha=S^2.

В самом деле, пусть плоскость ABCABC (рис. 5) перпендикулярна боковым рёбрам призмы, ∠BAC=α\angle BAC=\alpha. Запишем теорему косинусов для треугольника ABCABC
∣BC∣2=∣AB∣2+∣AC∣2−2∣AB∣⋅∣AC∣cos⁡α. |BC|^2=|AB|^2+|AC|^2-2|AB|\cdot|AC|\cos\alpha.
Осталось умножить последнее равенство на l2l^2, где ll — длина бокового ребра призмы.

Перейдём теперь к решению задачи 5. Пусть ABCDABCD — данный тетраэдр, S△ABD=S1S_{\triangle ABD}=S_1, S△ADC=S2S_{\triangle ADC}=S_2, S△ABC=Q1S_{\triangle ABC}=Q_1, S△DBC=Q2S_{\triangle DBC}=Q_2, двугранный угол при ребре ADAD равен α\alpha, а при ребре BCBC — β\beta. Рассмотрим треугольную призму с основанием ABCABC, одно из боковых рёбер которой — ADAD (рис. 6). Обозначим через SS площадь параллелограмма BB1C1CBB_1C_1C, тогда по только что доказанной нами формуле
4S12+4S22−8S1S1cos⁡α=S2, 4S_1^2+4S_2^2-8S_1S_1\cos\alpha=S^2,
причём SS легко выразить через длины рёбер BCBC и ADAD и угол ϕ\phi между ними: S=∣AD∣⋅∣BC∣sin⁡ϕS=|AD|\cdot|BC|\sin\phi.


Рис. 6

Если мы рассмотрим другую треугольную призму с основанием ACDACD и боковым ребром BCBC, то получим
4Q12+4Q22−8Q1Q2cos⁡β=S2. 4Q_1^2+4Q_2^2-8Q_1Q_2\cos\beta=S^2.
Отсюда следует утверждение задачи 5.

Упражнения

  1. Доказать, что сумма квадратов длин рёбер тетраэдра равна учетверённой сумме квадратов расстояний между серединами его скрещивающихся рёбер.
  2. (МГУ, физфак, 1964.) Дан тетраэдр ABCDABCD. Доказать, что его рёбра ADAD и BCBC взаимно перпендикулярны в том и только в том случае, когда выполняется равенство
    ∣AB∣2+∣DC∣2=∣AC∣2+∣DB∣2. |AB|^2+|DC|^2=|AC|^2+|DB|^2.
  3. Длины двух противоположных рёбер тетраэдра равны aa, длины двух других противоположных рёбер равны bb, оставшихся двух — cc. Найти
    объём этого тетраэдра;
    радиус описанного вокруг него шара.
  4. Длины двух противоположных рёбер тетраэдра равны aa и a1a_1, угол между ними равен α\alpha, длины двух других рёбер соответственно равны bb и b1b_1, угол между ними β\beta и, наконец, длины двух оставшихся рёбер равны cc и c1c_1, угол между ними γ\gamma (α\Big(\alpha, β\beta, γ≤π2)\gamma\le\dfrac\pi2\Big)
    Доказать, что одно из чисел aa1cos⁡αaa_1\cos\alpha, bb1cos⁡βbb_1\cos\beta, cc1cos⁡γcc_1\cos\gamma равно сумме двух других.
    Найти углы α\alpha, β\beta и γ\gamma, если даны aa, a1a_1, bb, b1b_1, cc, c1c_1.