Квант

48

Задания
на площади
и двугранные углы

Рассмотрим следующую задачу.

Задание 1. Правильная преуольная парамida с двумерным углом α при ребре основания пересечена плоскостью, паралельной основанию, так, что площадь полученоо сечения равна площади боковой поверхности образованшейся усеченной парамиды. Определить отношение площади основания к площади сечения.

Если решать эту задачу, рассматривая сечение парамиды плоскостью, проходящей через высоту и апофему боковой грани, то после достаточно сложных вычислений получается ответ 1+cos α. Το обстоятельство, что искомое отношение про-

сто выражается через данную величины, ведет к дальнейшим размышлениям. Случайно ли это? Очевидно, нет. Скорее всего должно существовать и простое решение задачи. По-smотрим винмательно на ответ. По-лученое соответствие связи дает площадь S основания, площадь Q сечения (равную по условию площади боковой поверхности усеченной парамиды) и двугранный угол при ребре основания (рис. 1).

No格拉сно известной формуле *) площади ortogonalной проекции многоугольника S—Q=Q·cos φ, откуда

S−QQ=cos⁡φ,SQ=1+cos⁡φ.\frac{S-Q}{Q} = \cos \varphi, \frac{S}{Q} = 1 + \cos \varphi.

И во многих других случаях применение формулы площади проекции является тем элементом, который неопределенно ведет к решению задачи.

Задание 2 (МАИ, 1973). Основанием парамиды служит параллеродам, площадь коморого Q. Вершина парамиды проектировется в моче пересечения диагональной параллеродам. Одна из боковых границ с плоскостью основания угол α, друза — угол β. Найти площадь боковой поверхности парамиды.

*) См. «Геометрия 10», § 50.

Рис. 1.

Рис. 2.

49

Ввиду того, что
S△BAC=S△DAE,S△CAD=S△EAB,S_{\triangle BAC} = S_{\triangle DAE}, \quad S_{\triangle CAD} = S_{\triangle EAB},
S△BOC=S△COD=Q4S_{\triangle BOC} = S_{\triangle COD} = \frac{Q}{4}

(рис. 2), сразу находим:
S60k=2(S△BAC+S△CAD)=S_{60k} = 2(S_{\triangle BAC} + S_{\triangle CAD}) =
=2(S△BOCcos⁡α+S△CODcos⁡β)== 2\left(\frac{S_{\triangle BOC}}{\cos \alpha} + \frac{S_{\triangle COD}}{\cos \beta}\right) =
=2(Q4cos⁡α+Q4cos⁡β)=Q(cos⁡α+cos⁡β)2cos⁡αcos⁡β.= 2\left(\frac{Q}{4\cos \alpha} + \frac{Q}{4\cos \beta}\right) = \frac{Q(\cos \alpha + \cos \beta)}{2\cos \alpha \cos \beta}.

Задача 3 (КГУ, физак, 1975).
В основании пирамиды лежит ромб со сторной а и острым углом α.
Две боковые грани, которые содержат стороны острого угла основания, перепendlukулярны основанию, две другие наклонены к основанию под углом β.
Найти площадь боковой поверхности пирамиды.

Легко заметить, что проекция E1AD1E_1AD_1 (рис. 3) боковой грани EADEAD на плоскость боковой грани BACBAC равновелика грани BACBAC, причем двумя уголями угол между этими гранями равен π2−β\frac{\pi}{2} - \beta, а проекцией грани AEDAED на плоскость основания ромба является треугольник BEDBED. Поэтому
S60k=2(S△EAD+S△BAC)=S_{60k} = 2(S_{\triangle EAD} + S_{\triangle BAC}) =
=2(S△EAD+S△E1AD1)== 2(S_{\triangle EAD} + S_{\triangle E_1AD_1}) =
=2[S△EAD+S△EADcos⁡(π2−β)]== 2\left[S_{\triangle EAD} + S_{\triangle EAD} \cos\left(\frac{\pi}{2} - \beta\right)\right] =

Рис. 3.

Задача 4 (КПИ, 1975). Вправильнуючем перехуедельную пирамиду вписан шар; боковая грань этой пирамиды служит основанием другой пирамиды, вершина которой в центре шара и obtем коморой равен 1/61/6 obtема данной пирамиды. Определить величины двумерного угла при основании и плоского угла при вершинечем перехуедельной пирамиды.

Известно, что Vπρ=13Sπo⁡ln⋅rV_{\pi\rho} = \frac{1}{3} S_{\pi\operatorname{o}l n} \cdot r (рис. 4). Поэтому
cos⁡α=So⁡lnS60k=Sπo⁡lnS60k−1=\cos \alpha = \frac{S_{\operatorname{o}l n}}{S_{60k}} = \frac{S_{\pi\operatorname{o}l n}}{S_{60k}} - 1 =
=13Sπo⁡ln⋅r13(4S△CAD)⋅r−1=VABCDE4VO1CAD−= \frac{\frac{1}{3} S_{\pi\operatorname{o}l n} \cdot r}{\frac{1}{3} \left(4S_{\triangle CAD}\right) \cdot r} - 1 = \frac{V_{ABCDE}}{4V_{O_1CAD}} -
−1=64−1=12,- 1 = \frac{6}{4} - 1 = \frac{1}{2},
α=π3;tgβ2=∣DF∣∣AF∣=\alpha = \frac{\pi}{3}; \text{tg} \frac{\beta}{2} = \frac{|DF|}{|AF|} =
=∣OF∣∣AF∣=cos⁡α=12,= \frac{|OF|}{|AF|} = \cos \alpha = \frac{1}{2},
β=2arctg12.\beta = 2 \mathrm{arctg} \frac{1}{2}.

Задача 5 (ЛГУ, 1968). Установить зависимость между косинусом

50

Рис. 5.

ми углов α и β, которые образуют в правильной треугольной парамиде боковая грань с плоскостью основания и со смекной боковой грань.

Пусть (рис. 5) (BCD)⊥[AO](BCD) \perp [AO], [AE]⊥[BD][AE] \perp [BD], AEC^=α\hat{AEC} = \alpha, SΔBDC=QS_{\Delta BDC} = Q, SΔABD=SS_{\Delta ABD} = S. Тогда, проектируя грань ABD на грань BCD, получим равенство Q=3Scos⁡αQ = 3S\cos \alpha, а проектируя грани BCD, ABC и ACD на грань ABD, получим равенство S=Qcos⁡α+2Scos⁡βS = Q\cos \alpha + 2S\cos \beta. Из этих двух равенств находим исключую зависимость:
3cos⁡2α+2cos⁡β−1=0.3\cos^2 \alpha + 2\cos \beta - 1 = 0.

Аналогично легко доказывается общая формула для правильной n-угольной парамиды:

sin⁡πnsin⁡α=cos⁡β2.\sin \frac{\pi}{n} \sin \alpha = \cos \frac{\beta}{2}.

Иногда применение формулы позволяет ortogonalной проекции является не только полезным, но и приводит к эффективному решению.

Задача 6 (МФТИ, 1967). В правильной четырехугольной усеченной парамиде проведено сечение через диagonали оснований и сечение, проходимое через сторону нижнего основания и промивоположную сторону верхнего основания. Узол между секущими плоскостями равен α. Наименование плоскостей пересекает основание A′B′C′D′A'B'C'D' в серединах Q и N сторона B′C′B'C' и C′D′C'D' (рис. 7), откуда следует, что площадь проекции сечение KPQNMKPQNM на плоскость основания A′B′C′D′A'B'C'D' равна SA′B′QND′=SA′B′C′D′−SΔQC′N=1−18=78(cm2)S_{A'B'QND'} = S_{A'B'C'D'} - S_{\Delta QC'N} = 1 - \frac{1}{8} = \frac{7}{8}(\text{cm}^2). Линейным углом двугранного угла QN будет угол KLA′KLA', причем он конгруэнтен углу KA′RKA'R (R — основание высоты A′RA'R парамиды A′KPQNMA'KPQNM), откуда следует, что ∣A′R∣=∣A′K∣|A'R| = |A'K| cos φ.

51

(Интересно заметить, что примыты A’КРQNM и КА’B’QND’ равновелики.)

У правания

1 (ЛПИ, 1975). Боковая поверхность правльной десятиугольной прямы равна S, а площадь основа равна Q. Найти объем прямы.

2 (Казан. ГУ, 1972). Площадь основа правльной треугольной прямы равна 13\sqrt{13}, а величины плоского угла при ее вершине в четыре раза больше величины угла между боковым ребром и основанием. Найти площадь боковой поверхности.

3 (МГУ, мехмат, 1973). Точки K и M являются серединами ребер AB и AC треугольной прямы DABC, S△ABC=pS_{\triangle ABC} = p. Найти S△BCDS_{\triangle BCD}, если S△DKM=qS_{\triangle DKM} = q, а основа высоты прямы попадает в точку пересечения медиан основа ABC.

  1. В основа примуговального параллелипеда лежит квадрат. Через его смежные стороны проведены диагональные сечения, образующие с плоскостью основа угол α\alpha, а между собой — угол β\beta. Доказать, что cos⁡2α=cos⁡β\cos^2\alpha = \cos \beta.

  2. В треугольной прямы с площадью основа Q, площадью боковой поверхности S и суммой двумгранных углов при ребрах основа 3α3\alpha вершина проектируется в точку пересечения медиан основа. Доказать, что Q≤Scos⁡αQ \leq S \cos \alpha.

(Продолжение. Начало см. с. 32, 43)

24, 29, 37; И. Искендеров (с. Нюснос НАССР) 41; А. Исмаилова (Мингечур) 33; Ф. Кабыкацров (Алма-Ата) 22, 33, 37; А. Кадановский (Новосибирск) 37, 45; Л. Какаабдзе (Тбилис) 37; И. Калинин (Ленинград) 21—29, 37, 38, 39, a), 6); А. Калининский (Кишинев) 37; В. Кандаскалов (пос. Буча Киевской обл.) 33; А. Каплан (Сумгант) 37, 42, 45; В. Каплан (Киев) 22; А. Каранович (Целиноград) 31, 33; В. Каскевиц (д. Новый Двор Гродненской обл.) 22, 24; А. Кач (Ташкент) 22, 33, 37; А. Качуровский (Новосибирск) 31—33, 35, 37, 39, a), 6), 41, 42; А. Качавцев (Москва) 37; А. Керимов (Баку) 41, 42; А. Керимов (Москва) 37; И. Кехышивили (Тбилис) 44; И. Клапов (п. Калииновка Оренбургской обл.) 22, 23; В. Клижик (Москва) 21—29, 32, 33, 35, 37, 38, 40—45; С. Колпаков (р. п. Чернышковский Вологградской обл.) 41; М. Колво (НРБ) 24; В. Кононович (п. Телиханы Брестской обл.) 22; Л. Корельштейн (Москва) 21—30; А. Коротков (Ижевск) 37, 38, 41, 45; С. Корчанов (Ангарск) 22, 25, 26, 37, 39, a), 6), 44, 45; В. Костмусяк (Запорожье) 27, 31—33, 37, 38, 39, a), 6), 41, 42, 44; Л. Костюк (Киев) 26, 31, 33, 37, 42; А. Крейндлин (Москва) 26—28; Ф. Крис (Ташкент) 37; А. Кромих (Пермь) 31; О. Крухалов (с. Воскресен-ское Тульской обл.) 29, 33, 37; С. Крынин (с. Шаталовка Белгородской обл.) 33; С. Кузнецов (Ангарск) 33, 42; Е. Кузьмин (Череповец) 22, 32, 33, 42, 44, 45; А. Кулское (Донецк) 21, 26—29, 31—33, 35, 37, 38, 41, 42, 43, 6); Д. Купчинский (Павлодар) 33; А. Курилин (Москва) 37, 45; Е. Курилин (Череповец) 37; И. Куркиев (Грозный) 33, 41; А. Кучер (Донецк) 32, 42; А. Кучи (Днепропетровск) 26, 27; С. Лабазов (Краснодар) 33; С. Лавренченко (Москва) 21, 22, 27, 30, 31, 37, 41, 45; С. Лайденов (Брест) 33; Е. Лапин (Алма-Ата) 27, 29, 33, 37, 39, a); 6); А. Латмифуллин (п. Азнакаево ГАССР) 22; В. Латмивский (п. Давид-Gородок Брестской обл.) 22; Е. Лумельская (Пермь) 27, 28, 29, 37, 41; Л. Любенов (НРБ) 33; Д. Лодмирский (Киев) 37; А. Ляховец (Краснодар) 37; А. Мадоян (Ереван) 33; С. Майский (Москва) 24, 26, 29; Ю. Макаров (Караганда) 22, 26, 27, 31; Г. Мамедов (Баку) 21, 22, 27, 28, 29; М. Мамедов (Баку) 27; Т. Марьясина (Москва) 33; Г. Мацкович (пос. Сокол Сахалинской обл.) 22, 27; Е. Мельников (д. Касьяновка Ореновый обл.) 23; Г. Мех-

(Окончание см. с. 59)