Квант

61

Правильная парамида
В. К. Егерев, А. Г. Мордкович

Решению многох геометрических задач присущ характер искусственности, что далеко основание немецкой философу прошло века Артуру Шопенгауэру бросить геометрические упрек в использовании «доказательства мышеловок». Действительно, решение геометрических задач содержит мало шаблонов и часто производит впечатление фокуса. Тем более важно знать тот небольшой арсенал «стандартих» приемов, которые все-tаки использоваются при решении этих задач. О некоторых приемах уже шла речь на страницах нашего журнала (см. например, статью И. А. Куши ир «Метод вспомогательного элемента», «Квант», 1974, № 2). В этой статье расссказывается еще об одном таким приеме.

  1. Соотношение между углами в парамиде

На рисунке 1 изображена часть правильной п-угольной парамиды SABCD…, SH—высота, SK—апофема. Введем следующие обозначения:

α—угол между боковым ребром и плоскостью основания;
β—угол между боковой гранью и плоскостью основания;
γ—угол между скежными боковыми ребрами;
φ—угол между скежными боковыми гранями.

  1. «Метод кастрюки»
    Начнем с небольшей притчи. Андрею обьясили, как сварить яйцо: «Сними с гвоздя кастрюку, налей туда воды, положи яйцо, зажги газ, поставь кастрюку на газовый плиту и сним через 5 минут после того, как закипит вода». Андрюша так и сделал, все хорошо получилось. Но как-то, проснулись утром, Андрей увидел, что вода в кастрюку уже налита и газ горит. Подумав, он поасил газ, вылил воду и повесил кастрюку на гвоздик, а затем сделал так, как его учили.

Несмотря на каждушуюся несуразность такого поведения, метод возвра-


| Углы | Соотношения | | Область изменения углов | Связи между углами |
|—|—|—|—|—|
| 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) | | |

Если в правильной пирамиде известен один из этих углов, то можно найти остальные три. Шесть соотношений приведены в таблице. Докажем некоторые из них.

(1) (α; φ). Рассматривая треугольники LMCLMC и LMDLMD, получаем

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

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). Рассматривая треугольники AHSAHS и AKSAKS, получаем

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

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). Рассматривая треугольники AHSAHS и SHKSHK, получаем tg α=\mathrm{tg}\,\alpha =

=SHAH= \dfrac{SH}{AH}, tg β=SHKH\mathrm{tg}\,\beta = \dfrac{SH}{KH}. Значит, 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}.

Отметим некоторые следствия из этих формул.

Из (1) следует, что 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). Но sin⁡α<1\sin\alpha < 1, значит,

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

Из (2) следует, что sin⁡γ2=cos⁡αsin⁡πn\sin\dfrac{\gamma}{2} = \cos\alpha \sin\dfrac{\pi}{n}.

Но cos⁡α<1\cos\alpha < 1, значит, 0<γ2<πn0 < \dfrac{\gamma}{2} < \dfrac{\pi}{n} или

0<γ<2πn0 < \gamma < \dfrac{2\pi}{n}. Из этой же формулы вытекает,

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

что

то есть,

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

Из (3) следует, что tg αtg β=cos⁡πn<1\dfrac{\mathrm{tg}\,\alpha}{\mathrm{tg}\,\beta} = \cos\dfrac{\pi}{n} < 1,

откуда 0<α<β0 < \alpha < \beta (что вообще говоря, очевидно).

62

64

Задача 6. Найти SS, зная aa и γ\gamma.

«Методом кастрюльки» задача решается несложно: воспользовавшись формулами (4) и (8), получим

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

Но, пожалуй, еще проще решить задачу непосредственно:

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}.

Задача 7. Найти SS, зная aa и α\alpha.

Из формулы (3) следует соотношение

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

(проверьте это!). Следовательно,

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

Задача 8. Найти SS, зная aa и φ\varphi.

Из формулы (5) следует, что

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

(проверьте!). Воспользовавшись формулой (8), получим

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. Вычисление радиуса описанного шара

Задача 9. Найти RR, зная aa и α\alpha.

Как известно, около правильной пирамиды всегда можно описать шар, центр его OO лежит в точке пересечения высоты SHSH пирамиды с перпен-

дикуляром FOFO к боковому ребру, проведенным через середину FF ребра ASAS (см. рис. 2). Тогда ∠SOF=\angle SOF =
=∠SAH=α= \angle SAH = \alpha. Имеем 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}

Задача 10. Найти RR, зная aa и β\beta.

Из формулы (3) следует, что

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}}.

Воспользовавшись формулой (9), получим

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}.

Задача 11. Найти RR, зная aa и γ\gamma.

Из формулы (2) следует, что

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-}

те!), а 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}}.

Значит,

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

Рис. 2. Рис. 3.

Формулу

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}}},

выражающего RR через aa и φ\varphi, доказательство.

  1. Вычисление радиуса вписанного шара

Как известно, в правильную парамиду всегда можно вписать шар, его центр OO лежит в точке пересечения высоты SHSH парамиды с биссектриской угла SKHSKH (рис. 3). Поэтому проще всего вычисляется радиус вписанного шара в случае, когда задан угол β\beta; с этого случая мы и научем.

Задча 12. Найти rr, зная aa и β\beta.

Имеем 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}

Задча 13. Найти rr, зная aa и α\alpha.

Из формулы (3) следует, что

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}.

Из формулы (10) теперь получаем

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}.

Задча 14. Найти rr, зная aa и γ\gamma.

Из формул (4), (10) получаем

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)}.

Выражение rr через aa и φ\varphi най-дите самостояльно.

У праванняя

  1. (МИФИ, 1973). Найти двугранный угол между основанием и боковой грани правильной треугольной парамиды, если двугранный угол между боковым гранями этой парамиды равен α\alpha.
  2. (УДН, 1973). Двугранные углы при боковых ребрах правильной 4-угольной парамиды равны α\alpha. Найти двугранные углы при боковом ребре равен 2α2\alpha. Найти объем парамиды.
  3. (УГУ, 1973). Высота правильной треугольной парамиды равна hh, а расстояние от основания высоты до бокового ребра равно aa. Определить двугранный угол между боковым гранями парамиды.
  4. (МАТИ, 1973). Каждый из равных углов боковой грани правильной шестугольной парамиды равен φ\varphi. Расстояние от середины высоты до бокового ребра равно ll. Найти высоту парамиды.
  5. (МАИ, 1973). Высота правильной 4-угольной парамиды равна hh, а плоский угол между смежными боковыми гранями равен φ\varphi. Найти площадь боковой поверхности.
  6. (УДН, 1973). Сторона основания правильной 4-угольной парамиды, описанной около шара радиуса RR, равна aa. Найти полную поверхность парамиды.
  7. (НГУ, механит, 1969). Двугранный угол при боковом ребре правильной 4-угольной парамиды равен α\alpha, радиус вписанного шара RR. Найти полную поверхность парамиды.
  8. (ЯПИ, 1973). В шар радиуса RR вписана правильная 4-угольная парамидя, у которой плоский угол при вершине равен α\alpha. Найти объем парамиды.
  9. (Из писем читаателей) Найти объем парамиды SABCSABC, если высота наклонена к плоскости основания под углом 30∘30^\circ, △ABC\triangle ABC—равносторонний, в него вписана окружность радиуса rr, причем SC=OCSC = OC и SO⊥BASO \perp BA.

Г. М-ва