Квант
Математический кружок

Скалярное произведение векторов в геометрических задачах. Вычисление площадей

Понарин Я. П.

25

Я. Понарин

Вышение плошадей

Площадь треугольника
Известно, что площад треугольника ABC можно вычислить по формуле
S=12absin⁡C^,S = \frac{1}{2} ab \sin \hat{C},
(1)

где a, b и c — длины сторона треугольника, лежащих соответственно против углов A^,B^\hat{A}, \hat{B} и C^\hat{C}.

Обозначим векторы CB⃗\vec{CB} и CA⃗\vec{CA} сторон треугольника через a⃗\vec{a} и b⃗\vec{b}. Из определения скалярного произведения векторов следует, что cos⁡C^=a⃗⋅b⃗∣a⃗∣⋅∣b⃗∣\cos \hat{C} = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}, откуда sin⁡2C^=a2b2−(a⃗⋅b⃗)2a2b2\sin^2 \hat{C} = \frac{a^2 b^2 - (\vec{a} \cdot \vec{b})^2}{a^2 b^2}
(скалярный квадрат вектора равен квадрату его длины).

Возведем обе части формулы (1) в квадрат и подставим найденное выражение для sin⁡2C^\sin^2 \hat{C}; получим
4S2=a2b2−(a⃗⋅b⃗)2.4S^2 = a^2 b^2 - (\vec{a} \cdot \vec{b})^2.
(2)

Формула (2) пригодится нам в дальнейшем (в частности, из нее легко получить формулу Герона для плошади треугольника).

Площадь четырехугольника
Если p и q — длины диагоналей произвольного плоского четырехугольника (противоположные стороны которого не пересекаются во внутренних точках), то его площадь можно найти по формуле
S=12pqsin⁡(p⃗,q⃗).S = \frac{1}{2} pq \sin (\vec{p}, \vec{q}).
(3)

Как и в случае треугольника, перепишем эту формулу в виде, аналогичном (2):
4S2=p2q2−(p⃗⋅q⃗)2.4S^2 = p^2 q^2 - (\vec{p} \cdot \vec{q})^2.
(4)

Чтобы оценить полученные формулы (2) и (4), решим несколько задач (если вы попытаете решить их иначе, без использования скалярного произведения, вы увидите, насолько усложняет решение).

Задача 1. Вычислить площадь грани ABC метраэдра ABCD, если a, b, c — длины его ребер DA, DB и DC, а α, β, γ — плоские углы при вершине D, соответствующего промиолежащей ребрам BC, AC и AB.

Решение е. Введем такие обозначения: DA⃗=a⃗,DB⃗=b⃗,DC⃗=c⃗\vec{DA} = \vec{a}, \vec{DB} = \vec{b}, \vec{DC} = \vec{c}. Тогда для плошади S грани ABC имеем
4S2=∣CA⃗∣2⋅∣CB⃗∣2−(CA⃗⋅CB⃗)2=(a⃗−c⃗)2⋅(b⃗−c⃗)2−((a⃗−c⃗)⋅(b⃗−c⃗))2=(a2+c2−2accos⁡β)(b2+c2−2bccos⁡α)−(abcos⁡γ−accos⁡β−bccos⁡α+c2)2.4S^2 = |\vec{CA}|^2 \cdot |\vec{CB}|^2 - (\vec{CA} \cdot \vec{CB})^2 = (\vec{a} - \vec{c})^2 \cdot (\vec{b} - \vec{c})^2 - ((\vec{a} - \vec{c}) \cdot (\vec{b} - \vec{c}))^2 = (a^2 + c^2 - 2ac \cos \beta)(b^2 + c^2 - 2bc \cos \alpha) - (ab \cos \gamma - ac \cos \beta - bc \cos \alpha + c^2)^2.

Фактически задача уже решена, но в полученное выражение длинны a, b, c и углы α, β, γ входят несимметрично, хотя по условию задачи значения a, b, c, а также α, β, γ должны

27

Задание 4. Через вершину правильного метраэдра с ребром a проведен а плоскость так, что линия ее пересечения с плоскостью основания параллельна стороне и делит основание на две равновеликие части. Найти площадь сечения метраэдра указанной плоскостью (рис. 3).

Решение. Обозначим в данном правильном tetraэдре ABCDABCD DA⃗=a⃗\vec{DA} = \vec{a}, DB⃗=b⃗\vec{DB} = \vec{b}, DC⃗=c⃗\vec{DC} = \vec{c}, причем ∣a⃗∣=∣b⃗∣=∣c⃗∣=a|\vec{a}| = |\vec{b}| = |\vec{c}| = a. Пусть плоскость сечения пересекает плоскость ABCABC по прямой MNMN, M∈(AB)M \in (AB), N∈(AC)N \in (AC) и (MN)∥(BC)(MN) \parallel (BC). Нужную площадь сечения можно посчитать по формуле

4S2=∣DM⃗∣2⋅∣DN⃗∣2−(DM⃗⋅DN⃗)2.4S^2 = |\vec{DM}|^2 \cdot |\vec{DN}|^2 - (\vec{DM} \cdot \vec{DN})^2.

Эта формула подсказывает, как решать задачу.

Имеем DM⃗=DA⃗+AM⃗\vec{DM} = \vec{DA} + \vec{AM}, где AM⃗=k⋅AB⃗\vec{AM} = k \cdot \vec{AB}.

Число kk находится из того условия, что прямая MNMN делит основание ABCABC на две равновеликие части, причем так, что треугольники AMNAMN и ABCABC подобыны; поэтому

SAMN:SABC=∣AM⃗∣2:∣AB⃗∣2=k2=12,S_{AMN} : S_{ABC} = |\vec{AM}|^2 : |\vec{AB}|^2 = k^2 = \frac{1}{2},

откуда k=12k = \frac{1}{\sqrt{2}}. Поэтому

DM⃗=DA⃗+k⋅AB⃗=a+12(b⃗−a⃗)=(2−1)a⃗+b⃗2.\vec{DM} = \vec{DA} + k \cdot \vec{AB} = a + \frac{1}{\sqrt{2}} (\vec{b} - \vec{a}) = \frac{(\sqrt{2} - 1) \vec{a} + \vec{b}}{\sqrt{2}}.

Аналогично DN⃗=(2−1)a⃗+c⃗2\vec{DN} = \frac{(\sqrt{2} - 1) \vec{a} + \vec{c}}{\sqrt{2}}.

Подставляя выражения для DM⃗\vec{DM} и DN⃗\vec{DN} в формулу для SS, получаем

16S2=((2−1)a⃗+b⃗)2⋅((2−1)a⃗+b⃗)×((2−1)a⃗+c⃗)2.16S^2 = ((\sqrt{2} - 1) \vec{a} + \vec{b})^2 \cdot ((\sqrt{2} - 1) \vec{a} + \vec{b}) \times ((\sqrt{2} - 1) \vec{a} + \vec{c})^2.

Так как для правильного tetraэдра с ребром длины aa

a⃗⋅b⃗=b⃗⋅c⃗=a⃗⋅c⃗=12a2,\vec{a} \cdot \vec{b} = \vec{b} \cdot \vec{c} = \vec{a} \cdot \vec{c} = \frac{1}{2} a^2,

то после всех прошеней получаем

S=18a211−42.S = \frac{1}{8} a^2 \sqrt{11 - 4\sqrt{2}}.

Решите самостояльное следующие задачи:

  1. Дан произвольный четырехугольник ABCDABCD. Точки A1A_1 и C1C_1 являются образами и вершин AA и CC при пектором параллельном пересечении. Докажите, что четырехугольник A1BC1DA_1BC_1D равновелик данному четырехугольнику ABCDABCD.

  2. В tetraэдре ABCDABCD известны длины всех шести ребер: ∣DA∣=a|DA| = a, ∣DB∣=b|DB| = b, ∣DC∣=c|DC| = c, ∣BC∣=a1|BC| = a_1, ∣AC∣=b1|AC| = b_1, ∣AB∣=c1|AB| = c_1. Через середину ребра DBDB проведена плоскость параллельно ребрам ADAD и BCBC. Найти площадь сечения tetraэдра этой плоскостью.

  3. В правильной треугольной примите плоский угол при вершине равна α\alpha, а длина бокового ребра равна aa. Найти площадь сечения примыdlos плоскостью, проходящей через сторону основания и середину противного бокового ребра.