Kvant

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

61

Thông số chính xác
V. K. Egerev, A. G. Mordkovich

Lời giải Nhiều bài toán hình học có bản chất nhân tạo vốn có, đó là lý do tại sao triết gia người Đức Arthur Schopenhauer, cách đây nhiều thế kỷ, đã chỉ trích hình học vì sử dụng “bằng chứng về bẫy chuột”. Thật vậy, lời giải của hình học bài toán chứa ít mẫu và thường tạo ấn tượng về một tiêu điểm. Điều quan trọng hơn là phải biết rằng kho vũ khí nhỏ gồm các kỹ thuật “tiêu chuẩn” vẫn được sử dụng với lời giải những bài toán này. Một số kỹ thuật đã được thảo luận trên các trang tạp chí của chúng tôi (ví dụ: xem bài viết của I. A. Kushiir “Phương pháp của một phần tử phụ trợ”, «Kvant», 1974, số 2). Bài viết này nói về một kỹ thuật khác như vậy.

  1. Mối quan hệ giữa các góc trong một paramid

Hình 1 thể hiện một phần của SABCD…, paramid n-giác đều đặn, SH—chiều cao, SK—tận đồ. Hãy giới thiệu ký hiệu sau:

α - góc giữa cạnh bên và mặt phẳng đáy;
β—góc giữa cạnh bên và mặt phẳng đáy;
γ—góc giữa các gân bên cắt ngang;
φ—góc giữa các mặt bên cắt ngang.

  1. “Phương pháp dùng chảo”
    Hãy bắt đầu với một dụ ngôn nhỏ. Andrey được giải thích cách luộc trứng: “Lấy chảo ra khỏi đinh, đổ nước vào, cho trứng vào, châm ga, đặt chảo lên bếp gas và lấy ra 5 phút sau khi nước sôi”. Andryusha đã làm đúng như vậy, mọi việc đều diễn ra tốt đẹp. Nhưng một ngày nọ, chúng tôi thức dậy vào buổi sáng, Andrei thấy nước đã được đổ vào chảo và gas đang bốc cháy. Suy nghĩ xong, anh vặn ga, đổ nước rồi treo xoong lên đinh rồi làm theo lời dạy.

Bất chấp mọi hành vi vô lý như vậy, phương pháp trả lại


| góc | Tỷ lệ | | Vùng thay đổi góc | Kết nối giữa các góc |
|—|—|—|—|—|
| α; φ | sin⁡α=ctgφ2 ctgπn\sin \alpha = \mathrm{ctg}\dfrac{\varphi}{2}\,\mathrm{ctg}\dfrac{\pi}{n} | (1) | 0<α<π20 < \alpha < \dfrac{\pi}{2} | |
| α; γ | cos⁡α=sin⁡γ2/sin⁡πn\cos \alpha = \sin\dfrac{\gamma}{2}\Big/\sin\dfrac{\pi}{n} | (2) | 0<β<π20 < \beta < \dfrac{\pi}{2} | γ<π−2α\gamma < \pi - 2\alpha |
| α; β | tg α=tg β⋅cos⁡πn\mathrm{tg}\,\alpha = \mathrm{tg}\,\beta \cdot \cos\dfrac{\pi}{n} | (3) | 0<γ<2πn0 < \gamma < \dfrac{2\pi}{n} | α<β\alpha < \beta |
| β; γ | cos⁡β=tgγ2 ctgπn\cos \beta = \mathrm{tg}\dfrac{\gamma}{2}\,\mathrm{ctg}\dfrac{\pi}{n} | (4) | π−2πn<φ<π\pi - \dfrac{2\pi}{n} < \varphi < \pi | |
| β; φ | tg β=2cos⁡φ2−cos⁡φ−cos⁡2πn\mathrm{tg}\,\beta = \dfrac{\sqrt{2}\cos\dfrac{\varphi}{2}}{\sqrt{-\cos\varphi - \cos\dfrac{2\pi}{n}}} | (5) | | φ>π−2β\varphi > \pi - 2\beta |
| γ; φ | sin⁡γ2=−cos⁡φ−cos⁡2πn2sin⁡φ2\sin\dfrac{\gamma}{2} = \dfrac{\sqrt{-\cos\varphi - \cos\dfrac{2\pi}{n}}}{\sqrt{2}\sin\dfrac{\varphi}{2}} | (6) | | |

Nếu một trong những góc này được biết trong một hình chóp đều thì có thể tìm thấy ba góc còn lại. Sáu tỷ lệ được thể hiện trong bảng. Hãy chứng minh một số trong số họ.

(1) (α; φ). Xét các tam giác LMCLMC và LMDLMD, ta thu được

tgφ2=CLLM\mathrm{tg}\dfrac{\varphi}{2} = \dfrac{CL}{LM}, sin⁡α=LMLD\sin \alpha = \dfrac{LM}{LD}. Có nghĩa,

tgφ2sin⁡α=CLLD=tg ∠CDL=\mathrm{tg}\dfrac{\varphi}{2}\sin\alpha = \dfrac{CL}{LD} = \mathrm{tg}\,\angle CDL =

=tg(π2−πn)=ctgπn= \mathrm{tg}\left(\dfrac{\pi}{2} - \dfrac{\pi}{n}\right) = \mathrm{ctg}\dfrac{\pi}{n}.

(2) (α; γ). Xét các tam giác AHSAHS và AKSAKS, ta thu được

cos⁡α=AHAS\cos\alpha = \dfrac{AH}{AS}, sin⁡γ2=AKAS\sin\dfrac{\gamma}{2} = \dfrac{AK}{AS}. Có nghĩa,

sin⁡γ2cos⁡α=AKAH=sin⁡∠AHK=sin⁡πn\dfrac{\sin\dfrac{\gamma}{2}}{\cos\alpha} = \dfrac{AK}{AH} = \sin \angle AHK = \sin\dfrac{\pi}{n}.

(3) (α; β). Xét các tam giác AHSAHS và SHKSHK, ta thu được tg α=\mathrm{tg}\,\alpha =

=SHAH= \dfrac{SH}{AH}, tg β=SHKH\mathrm{tg}\,\beta = \dfrac{SH}{KH}. Vì vậy, tg αtg β=\dfrac{\mathrm{tg}\,\alpha}{\mathrm{tg}\,\beta} =

=KHAH=cos⁡∠AHK=cos⁡πn= \dfrac{KH}{AH} = \cos \angle AHK = \cos\dfrac{\pi}{n}.

Chúng ta hãy lưu ý một số hậu quả từ những công thức này.

Từ (1) suy ra ctgφ2=sin⁡α×\mathrm{ctg}\dfrac{\varphi}{2} = \sin\alpha \times

× ctg(π2−πn)\times\, \mathrm{ctg}\left(\dfrac{\pi}{2} - \dfrac{\pi}{n}\right). Nhưng sin⁡α<1\sin\alpha < 1 có nghĩa là

φ2>π2−πn\dfrac{\varphi}{2} > \dfrac{\pi}{2} - \dfrac{\pi}{n} hoặc φ>π−2πn\varphi > \pi - \dfrac{2\pi}{n}.

Từ (2) suy ra sin⁡γ2=cos⁡αsin⁡πn\sin\dfrac{\gamma}{2} = \cos\alpha \sin\dfrac{\pi}{n}.

Nhưng cos⁡α<1\cos\alpha < 1 có nghĩa là 0<γ2<πn0 < \dfrac{\gamma}{2} < \dfrac{\pi}{n} hoặc

0<γ<2πn0 < \gamma < \dfrac{2\pi}{n}. Từ cùng một công thức nó sau,

sin⁡γ2sin⁡(π2−α)=sin⁡πn<1,\dfrac{\sin\dfrac{\gamma}{2}}{\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha\right)} = \sin\dfrac{\pi}{n} < 1,

Cái gì

đó là,

γ2<π2−α\dfrac{\gamma}{2} < \dfrac{\pi}{2} - \alpha hoặc γ<π−2α\gamma < \pi - 2\alpha.

Từ (3) suy ra tg αtg β=cos⁡πn<1\dfrac{\mathrm{tg}\,\alpha}{\mathrm{tg}\,\beta} = \cos\dfrac{\pi}{n} < 1,

0<α<β0 < \alpha < \beta đến từ đâu (nói chung là hiển nhiên).

62

64

Bài toán 6. Tìm SS, biết aa và γ\gamma.

“Phương pháp chảo” bài toán rất dễ giải: sử dụng công thức (4) và (8), ta có

S=na2 ctgγ24.S = \frac{na^2\, \mathrm{ctg}\dfrac{\gamma}{2}}{4}.

Nhưng có lẽ việc giải quyết trực tiếp bài toán thậm chí còn dễ dàng hơn:

S=n⋅S△ASB=n⋅12AB⋅SK=S = n \cdot S_{\triangle ASB} = n \cdot \frac{1}{2}AB \cdot SK =

n⋅12a⋅a2ctgγ2=na2 ctgγ24.n \cdot \frac{1}{2}a \cdot \frac{a}{2}\mathrm{ctg}\frac{\gamma}{2} = \frac{na^2\, \mathrm{ctg}\dfrac{\gamma}{2}}{4}.

Bài toán 7. Tìm SS, biết aa và α\alpha.

Từ công thức (3) suy ra mối quan hệ

cos⁡β=cos⁡πntg2α+cos⁡2πn\cos\beta = \frac{\cos\dfrac{\pi}{n}}{\sqrt{\mathrm{tg}^2\alpha + \cos^2\dfrac{\pi}{n}}}

(hãy kiểm tra xem!). Kể từ đây,

S=na2tg2α+cos⁡2πn4sin⁡πnS = \frac{na^2\sqrt{\mathrm{tg}^2\alpha + \cos^2\dfrac{\pi}{n}}}{4\sin\dfrac{\pi}{n}}

Bài toán 8. Tìm SS, biết aa và φ\varphi.

Từ công thức (5) suy ra

cos⁡β=−cos⁡φ−cos⁡2πn2sin⁡πn\cos\beta = \frac{\sqrt{-\cos\varphi - \cos\dfrac{2\pi}{n}}}{\sqrt{2}\sin\dfrac{\pi}{n}}

(kiểm tra!). Sử dụng công thức (8), chúng tôi thu được

S=2 na2cos⁡πn4−cos⁡φ−cos⁡2πn.S = \frac{\sqrt{2}\, na^2\cos\dfrac{\pi}{n}}{4\sqrt{-\cos\varphi - \cos\dfrac{2\pi}{n}}}.

5. Tính bán kính của hình cầu ngoại tiếp

Bài toán 9. Tìm RR, biết aa và α\alpha.

Như đã biết, luôn có thể mô tả một quả bóng ở gần một kim tự tháp thông thường; tâm của nó OO nằm tại giao điểm của đường cao SHSH của hình chóp với đường vuông góc

hình tròn FOFO đến cạnh bên, được vẽ qua giữa FF của cạnh ASAS (xem Hình 2). Sau đó ∠SOF=\angle SOF =
=∠SAH=α= \angle SAH = \alpha. Chúng tôi có AS=AHcos⁡α=AS = \dfrac{AH}{\cos\alpha} =
=a2sin⁡πncos⁡α= \dfrac{a}{2\sin\dfrac{\pi}{n}\cos\alpha}; R=OS=FSsin⁡α=\quad R = OS = \dfrac{FS}{\sin\alpha} =
=AS2sin⁡α;= \dfrac{AS}{2\sin\alpha};

R=a2sin⁡πnsin⁡2α.(9)R = \frac{a}{2\sin\dfrac{\pi}{n}\sin 2\alpha}. \tag{9}

Bài toán 10. Tìm RR, biết aa và β\beta.

Từ công thức (3) suy ra

sin⁡2α⋅2 tg α1+tg2α=2 tg βcos⁡πn1+tg2βcos⁡2πn.\sin 2\alpha \cdot \frac{2\,\mathrm{tg}\,\alpha}{1+\mathrm{tg}^2\alpha} = \frac{2\,\mathrm{tg}\,\beta\cos\dfrac{\pi}{n}}{1+\mathrm{tg}^2\beta\cos^2\dfrac{\pi}{n}}.

Sử dụng công thức (9), chúng tôi thu được

R=a(1+tg2βcos⁡2πn)2sin⁡2πn tg β.R = \frac{a\left(1+\mathrm{tg}^2\beta\cos^2\dfrac{\pi}{n}\right)}{2\sin\dfrac{2\pi}{n}\,\mathrm{tg}\,\beta}.

Bài toán 11. Tìm RR, biết aa và γ\gamma.

Từ công thức (2) suy ra

sin⁡α=cos⁡γ−cos⁡2πn2sin⁡πn (проверь-\sin\alpha = \frac{\sqrt{\cos\gamma - \cos\dfrac{2\pi}{n}}}{\sqrt{2}\sin\dfrac{\pi}{n}} \text{ (проверь-}

những cái đó!), và sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α=\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha =

=2sin⁡γ2cos⁡γ−cos⁡2πnsin⁡2πn.= \frac{\sqrt{2}\sin\dfrac{\gamma}{2}\sqrt{\cos\gamma - \cos\dfrac{2\pi}{n}}}{\sin^2\dfrac{\pi}{n}}.

Có nghĩa,

R=a2sin⁡πnsin⁡2α=R = \frac{a}{2\sin\dfrac{\pi}{n}\sin 2\alpha} =

=2 asin⁡πn4sin⁡γ2cos⁡γ−cos⁡2πn= \frac{\sqrt{2}\,a\sin\dfrac{\pi}{n}}{4\sin\dfrac{\gamma}{2}\sqrt{\cos\gamma - \cos\dfrac{2\pi}{n}}}

65

Cơm. 2. Hình 3.

Công thức

R=2sin⁡φ2tgφ2tgπn41−cos⁡φ−cos⁡2πn,R = \frac{\sqrt{2} \sin \frac{\varphi}{2} \mathrm{tg} \frac{\varphi}{2} \mathrm{tg} \frac{\pi}{n}}{4 \sqrt{1 - \cos \varphi - \cos \frac{2\pi}{n}}},

thể hiện RR đến aa và φ\varphi, chứng minh.

  1. Tính bán kính của một quả bóng được ghi

Như đã biết, một quả bóng luôn có thể nội tiếp trong một paramid thông thường; tâm của nó OO nằm tại giao điểm của chiều cao SHSH của paramid với phân giác của góc SKHSKH (Hình 3). Do đó, cách dễ nhất để tính bán kính của một quả bóng nội tiếp là khi cho góc β\beta; từ trường hợp này chúng tôi sẽ dạy.

Bài toán 12. Tìm rr, biết aa Và β\beta.

Chúng tôi có r=OH=KH⋅tgβ2r = OH = KH \cdot \mathrm{tg} \frac{\beta}{2};

r=a2ctgπntgβ2.(10)r = \frac{a}{2} \mathrm{ctg} \frac{\pi}{n} \mathrm{tg} \frac{\beta}{2}. \tag{10}

Bài 13. Tìm rr biết aa và α\alpha.

Từ công thức (3) suy ra

tgβ2=cos⁡2πn+tg2α−cos⁡πntgα.\mathrm{tg} \frac{\beta}{2} = \frac{\sqrt{\cos^2 \frac{\pi}{n} + \mathrm{tg}^2 \alpha - \cos \frac{\pi}{n}}}{\mathrm{tg} \alpha}.

Từ công thức (10) bây giờ chúng ta có được

r=a2ctgπntgβ2=r = \frac{a}{2} \mathrm{ctg} \frac{\pi}{n} \mathrm{tg} \frac{\beta}{2} =

actgπn(cos⁡2πn+tg2α−cos⁡πn)2tgα.\frac{a \mathrm{ctg} \frac{\pi}{n} \left( \sqrt{\cos^2 \frac{\pi}{n} + \mathrm{tg}^2 \alpha - \cos \frac{\pi}{n}} \right)}{2 \mathrm{tg} \alpha}.

Bài 14. Tìm rr biết aa và γ\gamma.

Từ công thức (4), (10) ta thu được

r=a2ctgπn⋅sin⁡(πn−γ2)sin⁡(πn+γ2).r = \frac{a}{2} \mathrm{ctg} \frac{\pi}{n} \cdot \frac{\sin \left( \frac{\pi}{n} - \frac{\gamma}{2} \right)}{\sin \left( \frac{\pi}{n} + \frac{\gamma}{2} \right)}.

Hãy tự tìm biểu thức rr đến aa và φ\varphi.

bạn đúng

  1. (MEPhI, 1973). Tìm góc nhị diện giữa đáy và mặt bên của một cạnh tam giác đều nếu góc nhị diện giữa các mặt bên của cạnh này bằng α\alpha.
  2. (UDN, 1973). The dihedral angles at the lateral edges of a regular 4-gonal paramid are equal to α\alpha. Find the dihedral angles at the lateral edge equal to 2α2\alpha. Tìm thể tích của paramid.
  3. (USU, 1973). Chiều cao của một tham số hình tam giác đều là hh và khoảng cách từ đáy của chiều cao đến cạnh bên là aa. Determine the dihedral angle between the lateral faces of the paramid.
  4. (MATI, 1973). Mỗi góc bằng nhau của mặt bên của một paramid lục giác đều bằng φ\varphi. Khoảng cách từ giữa chiều cao đến cạnh bên là ll. Tìm chiều cao của paramid.
  5. (MAI, 1973). Chiều cao của một paramid tứ giác đều là hh và góc phẳng giữa các mặt bên liền kề là φ\varphi. Tìm diện tích bề mặt bên.
  6. (UDN, 1973). Cạnh đáy của một paramid tứ giác đều ngoại tiếp một quả cầu có bán kính RR bằng aa. Tìm bề mặt hoàn chỉnh của paramid.
  7. (NSU, cơ khí, 1969). Góc nhị diện ở cạnh bên của paramid 4 cạnh đều bằng α\alpha, bán kính của hình cầu nội tiếp là RR. Tìm bề mặt hoàn chỉnh của paramid.
  8. (YAPI, 1973). Một paramidian tứ giác đều nội tiếp trong một quả cầu có bán kính RR, có góc phẳng tại đỉnh bằng α\alpha. Tìm thể tích của paramid.
  9. (Từ thư của bạn đọc) Tìm thể tích của paramid SABCSABC, nếu chiều cao nghiêng với mặt phẳng đáy một góc 30∘30^\circ, △ABC\triangle ABC là tam giác đều thì nội tiếp đường tròn có bán kính rr và SC=OCSC = OC và SO⊥BASO \perp BA.

G. M-va