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 →

46

V. Dubrovsky

Góc bất ngờ

Tôi nhìn thấy một cái hồ trống rỗng. O. Mandelstam

Họ thường cố gắng tạo ra các bản vẽ theo hình lập thể càng rõ ràng càng tốt, chọn một góc sao cho có thể nhìn thấy rõ tất cả các điểm, đường và mặt phẳng quan trọng. Tuy nhiên, đối với nhóm tổng quát bài toán, một phối cảnh khác có lợi hơn: một phối cảnh trong đó các đường và mặt phẳng không xoắn bị suy biến, nghĩa là chúng được biểu diễn tương ứng bằng các điểm và đường. Chúng tôi sẽ cho bạn biết về bài toán như vậy.

Ý tưởng của kỹ thuật đề xuất là sự lựa chọn đặc biệt của phép chiếu song song. Do đó, trước tiên chúng ta xây dựng tính chất cơ bản của phép chiếu song song, tính chất này tiếp theo trực tiếp từ các tính chất được chỉ ra trong § 12 của “Hình học 9”:

Gọi A′,B′,C′,D′A', B', C', D' là ảnh của các điểm A,B,C,DA, B, C, D được chiếu song song lên mặt phẳng π\pi dọc theo đường thẳng ll. Sau đó, nếu AB=kCDAB = kCD, thì uA′B′=kC′D′∗u A'B' = kC'D'^* (Hình 1, a).

*) Trong phần tiếp theo, thuộc tính này được sử dụng thường xuyên đến mức chúng tôi sẽ không đề cập đến nó khi sử dụng nó; Khi hoàn thành bài viết, học sinh (và người nộp đơn) phải tham khảo trực tiếp các thuộc tính ở § 12 của sách giáo khoa.

*) Vì phép chiếu song song lên một đường dọc theo mặt phẳng không được học ở trường (không giống như phép chiếu lên mặt phẳng dọc theo một đường thẳng), nên thí sinh sử dụng nó trong kỳ thi phải chứng minh những đặc tính của nó mà mình đề cập đến. Tuy nhiên, về vấn đề này, chúng tôi khuyên bạn nên xem bản in đẹp trên trang. 48.

47

dọc theo đường thẳng KM (Hình 2, b) và dọc theo đường thẳng NL (Hình 2, c). Mặt phẳng này (được xác định một cách tự nhiên với mặt phẳng của hình vẽ), tất nhiên phải cắt đường thẳng KM (đường thẳng tương ứng NL), nhưng nếu không thì sự lựa chọn của nó không ảnh hưởng đến lời giải hoặc đáp số - sản phẩm, tại sao.

Ví dụ, chúng ta có thể giả sử rằng chúng ta đang nhìn vào một khối tứ diện và xoay nó sao cho các điểm K và M (hoặc L và N) thẳng hàng.

Trên hình chiếu dọc theo đường thẳng KM, ảnh của các điểm Q, K và M trùng nhau, mặt cắt được vẽ bằng đoạn L’N’, tứ diện được vẽ bằng hình bình hành A’C’B’D’ có vẽ các đường chéo, vì theo điều kiện K và M là trung điểm của các đoạn AB và CD. Từ Hình 2, b suy ra ngay rằng Q’ là trung điểm của đoạn L’N’ (có nghĩa Q là trung điểm của đoạn NL) và các điểm L’ và N’ chia hình chiếu của các cạnh của tứ diện theo các tỷ lệ bằng nhau: |D’N’|:|N’A’| = |C’L’|:|L’B’|. Sự đẳng thức này cũng được bảo toàn khi chiếu dọc theo (LN), tức là trong Hình 2, trong: |D’‘N’’|:|N’‘A’’| = |C’‘L’’|:|L’‘B’’|; do đó, trong hình này (A’‘B’’) ||(C’‘D’’) và do đó |C’‘L’’|/|L’‘B’’| = |M’‘Q’’|/|Q’‘K’’|. Vậy |CL|/|LB| = |MQ|/|QK|. Nhưng điều kiện |MQ|/|QK| = 5. Do đó, |CL|:|LB| = 5. Do đó, khoảng cách từ điểm C đến mặt phẳng cắt bằng 5 2 = 10. Thể tích của tứ diện BKMC bằng tổng thể tích của tứ diện BKML và CKML, chiều cao của chúng, hạ xuống cạnh của KML, bằng 2 và 10. Do đó, V_BKMC = 12 = 13SΔKML⋅(2+10)\frac{1}{3} S_{\Delta KML} \cdot (2+10); do đó, diện tích của tam giác KML bằng 3. Nhưng diện tích của tam giác KMN và KML bằng nhau, cũng như các lượng giác có chung đáy KM và các độ cao bằng nhau giảm xuống đáy này (hãy nhớ rằng Q là trung điểm [NL]), vì vậy S_KLMN = 2S_{\Delta KML} = 6.

Trong tương lai, để không làm quá tải các công thức bằng tricham, chúng ta sẽ biểu thị hình ảnh của cùng một điểm trong tất cả các phép chiếu theo cùng một cách.

Đối với bài toán tiếp theo, chúng tôi trình bày hai lời giải: một sử dụng phép chiếu dọc theo một đường thẳng, một sử dụng phép chiếu dọc theo một mặt phẳng.

Bài toán 2. (MSU, cơ học, 1964). Cho hình lập phương ABCDA1B1C1D1 có hai cạnh AA1, BB1, CC1, DD1. Điểm E, thuộc mặt phẳng truyền, chia cạnh B1C1 theo tỷ lệ nào?

48

đi qua đỉnh A và tâm của các mặt A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1 và B1C1CBB_1C_1CB?

Đầu tiên là lời giải. Hãy dựng hình chiếu của khối lập phương (Hình 3, a) dọc theo đường thẳng KLKL, trong đó KK là tâm của mặt A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1, LL là tâm của mặt B1C1CBB_1C_1CB (Hình 3, b). Hình chiếu của các mặt này được mô tả dưới dạng hình bình hành có một cạnh chung B1C1B_1C_1 và một tâm chung K=LK=L; do đó, hình chiếu của các đỉnh BB và A1A_1, CC và D1D_1 cũng trùng nhau. Vị trí trong Hình 3, a của các điểm AA và DD được xác định từ điều kiện AA1→=DD1→=BB1→\overrightarrow{AA_1}=\overrightarrow{DD_1}=\overrightarrow{BB_1}. Mặt phẳng cắt được chiếu lên đường thẳng AKAK, cắt đoạn B1C1B_1C_1 tại điểm EE. Chúng ta hãy biểu thị bằng MM phần giữa của đoạn BB1BB_1, sau đó (Hình 3, b) ∣B1E∣∣B1C1∣=∣B1E∣2∣KM∣=12∣B1A∣∣MA∣=12⋅43=23\frac{|B_1E|}{|B_1C_1|}=\frac{|B_1E|}{2|KM|}=\frac{1}{2}\frac{|B_1A|}{|MA|}=\frac{1}{2}\cdot\frac{4}{3}=\frac{2}{3}. Do đó ∣B1E∣:∣EC1∣=2|B_1E|:|EC_1|=2.

lời giải thứ hai (Hình 3, c). Chúng ta hãy chọn hệ tọa độ có gốc EE sao cho trục hoành và trục tọa độ nằm trong mặt phẳng EKLEKL. Khi đó ứng dụng của điểm E,K,LE, K, L và AA bằng 0. Chúng ta hãy sử dụng thuộc tính chính cho phép chiếu dọc theo mặt phẳng EKLEKL. Từ điều kiện KA1→=−KA1→\overrightarrow{KA_1}=-\overrightarrow{KA_1} và LC1→=−LC1→\overrightarrow{LC_1}=-\overrightarrow{LC_1} ta thu được zA1=zBz_{A_1}=z_B và zC1=−zA=−zBz_{C_1}=-z_A=-z_B (ở đây zPz_P biểu thị việc áp dụng điểm PP). Tiếp theo, từ điều kiện AA1→=BB1→\overrightarrow{AA_1}=\overrightarrow{BB_1} và đẳng thức zA1=zBz_{A_1}=z_B, chúng ta thu được zB1=2zA1z_{B_1}=2z_{A_1}. Do đó, các điểm C1,E,B1C_1, E, B_1 trên đoạn C1B1C_1B_1 lần lượt áp dụng zC1,0,−2zC1z_{C_1}, 0, -2z_{C_1}. Áp dụng lại tính chất chính, chúng ta nhận được ∣B1E∣:∣EC1∣=2|B_1E|:|EC_1|=2.

Để tránh nhắc đến tính chất chính của phép chiếu dọc theo một mặt phẳng (mà sách giáo khoa không nhắc đến), đoạn văn trước có thể viết như sau: cùng với cụm từ “Chúng ta hãy sử dụng tính chất chính của phép chiếu dọc theo một mặt phẳng…” viết “Bây giờ chúng ta lợi dụng tính chất là các vectơ bằng nhau đều có tọa độ và tọa độ của một vectơ bằng hiệu giữa tọa độ đầu và cuối của nó” (“Hình học 10”, § 42), và cùng với cụm từ cuối cùng viết: “To Posetone from tam giác đồng dạng (Hình 3, c) ta được ∣B1E∣:∣EC1∣=2|B_1E|:|EC_1|=2". Những thay đổi tương tự có thể được thực hiện đối với văn bản của lời giải sau, văn bản này cũng sử dụng tọa độ.

Bài toán 3 (MSU, Cơ học và Toán học, 1965). Cho đặc điểm hình tam giác đều ABCA1B1C1ABCA_1B_1C_1 với các cạnh bên AA1,BB1AA_1, BB_1 và CC1CC_1. Cho điểm PP chia trục OO1OO_1 của lăng kính theo tỉ lệ 5:1. Một mặt phẳng được vẽ đi qua điểm PP và trung điểm của các cạnh ABAB và A1C1A_1C_1. Mặt phẳng này phân chia khối lượng nhận dạng ở khía cạnh nào?

Lời giải. Đặt KK là trung điểm của [AB][AB], NN là trung điểm của [A1C1][A_1C_1]. Chúng ta hãy chiếu đối tượng lên một số đường thẳng ll dọc theo mặt phẳng cắt (PKNPKN). Ta xét tọa độ trên đường thẳng ll, lấy hình chiếu của mặt phẳng PKNPKN làm gốc của đường cắt (Hình 4, b). Hãy xác định tọa độ hình chiếu của tất cả các đỉnh của nhận dạng. Sự lựa chọn quy mô là của chúng tôi; ví dụ: hãy để xO1=1x_{O_1}=1. Sau đó xO=−5x_O=-5 vì PO=−5PO1PO=-5PO_1; hơn nữa,

NB1=3NO1xB1=3B1B=O1O⇒xB=xB1+xO1−xO=3.NB_1=3NO_1 \quad x_{B_1}=3 \quad B_1B=O_1O \Rightarrow x_B=x_{B_1}+x_{O_1}-x_O=3.

Tương tự, xA=−xB=3x_A=-x_B=3, xA1=xA+xO1−xO=9x_{A_1}=x_A+x_{O_1}-x_O=9, xC1=xC1+xO1−xO=15x_{C_1}=x_{C_1}+x_{O_1}-x_O=15.

Bây giờ, để tìm tỷ lệ mà mặt phẳng cắt của một số đoạn XYXY chia, chỉ cần tìm tỷ lệ tọa độ các đầu của nó xX:xYx_X:x_Y là đủ. Ví dụ: xB:xB=1x_B:x_B=1, do đó, phần đi qua giữa đoạn BB1;xB1:xA1=13BB_1; x_{B_1}:x_{A_1}=\frac{1}{3}, do đó, mặt phẳng phần cắt phần mở rộng của đoạn A1B1A_1B_1 vượt quá điểm B1B_1 tại một điểm RR sao cho ∣B1R∣:∣A1R∣=1:3|B_1R|:|A_1R|=1:3, v.v. Tiếp theo chúng ta phải… tuy nhiên, chúng ta sẽ không tước đi việc độc giả thỏa mãn cánh cửa này bài toán đối với kết thúc độc lập. Đáp số. 49/95.

49

Bây giờ chúng ta có thể xây dựng quy tắc trên cơ sở tất cả các bài toán được phân tích đã được giải: để tìm ra mối quan hệ nào giữa mặt phẳng π (tương ứng với đường thẳng l) chia một đoạn không song song với nó, chúng ta nên xem xét hình chiếu dọc theo mặt phẳng π hoặc dọc theo một đường thẳng đã biết nào đó nằm trong mặt phẳng π (tương ứng, dọc theo đường thẳng l).

Ví dụ, việc áp dụng quy tắc này trong bộ ba mặt phẳng sẽ được chứng minh.

Định lý Menelaus. Nếu đường thẳng l cắt các cạnh AB, BC, CA của tam giác ABC hoặc phần kéo dài của chúng lần lượt tại các điểm K, L, M thì
AKKB⋅BLLC⋅CMMA=−1∗\frac{AK}{KB} \cdot \frac{BL}{LC} \cdot \frac{CM}{MA} = -1^*.

Chứng minh (Hình 5). Hãy chiếu một tam giác song song với đường thẳng l lên một đường thẳng nào đó cắt nó. Sau đó
AKKB⋅BLLC⋅CMMA=A′PPB′⋅B′PPC′⋅C′PPA′=(−1)3=−1.\frac{AK}{KB} \cdot \frac{BL}{LC} \cdot \frac{CM}{MA} = \frac{A'P}{PB'} \cdot \frac{B'P}{PC'} \cdot \frac{C'P}{PA'} = (-1)^3 = -1.
(Lưu ý rằng định lý ngược lại cũng đúng; nó có thể được chứng minh bằng phản chứng.)

Bây giờ chúng ta hãy phân tích bài toán, trong đó không chỉ tỷ lệ độ dài của các đoạn song song là quan trọng, như đã nói ở trên, mà còn cả bản thân các độ dài này, cũng như các góc giữa các đoạn. Không giống như bài toán trước đó, ở đây cả hướng của hình chiếu và mặt phẳng mà chúng ta chiếu đều đóng một vai trò.

Bài toán 4. (MIPT, 1977) Mặt đáy ABCD được nhận dạng chính xác

*) Bằng ab\frac{a}{b}, chúng ta biểu thị một số kk sao cho a⃗=kb⃗\vec{a} = k\vec{b}, nếu nó tồn tại, nghĩa là, nếu các vectơ a⃗\vec{a} và b⃗\vec{b} thẳng hàng và ∣b⃗∣≠0|\vec{b}| \neq 0.

Hình 6.

ABCDA1_1B1_1C1_1D1_1 có chiều dài 2a, cạnh bên có chiều dài a. Xét các đoạn có các đầu nằm trên đường chéo AD1_1 của mặt và đường chéo DB1_1 của lăng kính, song song với mặt phẳng AA1_1B1_1B.

  1. Một trong những đoạn này được vẽ qua điểm M của đường chéo AD1_1 sao cho |AM|:|AD1_1|=2:3. Tìm chiều dài của nó.

  2. Tìm độ dài ngắn nhất của các đoạn đang xét.

Lời giải (Hình 6). Chúng ta hãy chiếu sự nhận biết dọc theo đường chéo B1_1D lên mặt phẳng của khuôn mặt ABB1_1A1_1. Dễ dàng nhận thấy kết quả sẽ là hình vẽ như hình 6, 6. Rõ ràng bất kỳ đoạn thẳng nào song song với mặt phẳng ABB1_1A1_1 đều được chiếu thành đoạn thẳng có cùng độ dài (!). Do đó, các phân đoạn đang được xem xét sẽ bị tắc nghẽn với các hình chiếu [DX] của chúng, trong đó X ∈ [AD1_1]. Rõ ràng, ngắn nhất trong số chúng là đường vuông góc DH hạ từ điểm D xuống (AD1_1). Tam giác DHD1_1, giống như ΔABD1_1, là hình chữ nhật và cân, do đó |DH| 22\frac{\sqrt{2}}{2} |DD1∣=22_1| = \frac{\sqrt{2}}{2} a (đây là đáp số cho câu hỏi thứ hai). Độ dài đoạn DM có thể tìm được từ tam giác vuông MPD, trong đó |DP| = 13\frac{1}{3} |DD1∣=a3_1| = \frac{a}{3}, |MP| = 13\frac{1}{3} |AB| = 2a3\frac{2a}{3}. Như vậy,

∣DM∣=a53|DM| = \frac{a\sqrt{5}}{3}

Để kết luận, chúng tôi trình bày một bằng chứng ngắn gọn và súc tích về một trong những lý thuyết trắc lượng đẹp nhất, dựa trên phương pháp chiếu.

Bài toán 5. Chứng minh rằng nếu tất cả các mặt của một tam giác có kích thước bằng nhau (có cùng diện tích) thì chúng bị tắc nghẽn theo từng cặp*).

50

Lời giải. Đặt MNMN là đường vuông góc chung với các cạnh ABAB và CDCD của tứ diện ABCDABCD với các ranh giới có kích thước bằng nhau (Hình 7, a). Dễ hiểu rằng hình chiếu trực giao của tứ diện dọc theo đường thẳng ABAB là tam giác ADCADC (Hình 7, b), trong đó cạnh ADAD bằng chiều cao DD1DD_1 của mặt ABDABD, còn cạnh ACAC là chiều cao CC1CC_1 của mặt ABCABC và đoạn MNMN được chiếu lên độ cao ANAN của tam giác ADCADC. Vì các hình tam giác ABCABC và ABDABD có cùng diện tích và chung đáy ABAB, nên chiều cao của chúng khi chạm đáy này bằng nhau, có nghĩa là trong Hình 7, b ∣AD∣=∣AC∣|AD|=|AC|; có nghĩa là điểm NN (cạnh đường cao của một tam giác đều) chia đoạn CDCD làm đôi. Sử dụng tính chất hữu ích của phép chiếu và lặp lại lập luận này đối với các cạnh còn lại của tứ diện, chúng ta kết luận rằng đường vuông góc chung của tất cả các cặp cạnh cắt nhau của tứ diện ABCDABCD đi qua trung điểm của các cạnh tương ứng và do đó, là trục đối xứng của tứ diện. Ví dụ: với sự đối xứng trục với trục MNMN (Hình 7, a), đỉnh AA sẽ đi vào BB, BB - vào AA, CC - vào DD, DD - vào CC, do đó khuôn mặt ABCABC phù hợp với khuôn mặt ABDABD, và khuôn mặt ACDACD phù hợp với khuôn mặt BCDBCD. Bằng cách tương tự, người ta chứng minh rằng △ABD≅△ACD\triangle ABD \cong \triangle ACD.

Nhiệm vụ trong ghi chú này chủ yếu là điều chỉnh để người đọc có thể so sánh lời giải thu được bằng cách sử dụng phép chiếu song song với các nghiệm vectơ “truyền thống” (thuần túy hình học) và vectơ. Như vậy, nhiệm vụ 2 và 3 được G.V. Dorofeev, M.K. Potanov và N.Kh. Rozov “Cẩm nang toán học dành cho những người tham gia cuộc gọi” (M., “Nauka”, 1976), tr. 340 và 514, nhiệm vụ 3 - cũng trong bài viết của S. Ovchinnikov “Thuộc điểm thuộc đường thẳng và mặt phẳng” («Kvant», 1978, số 3), nhiệm vụ 4 - trong bài viết của I. Gabovich “Vector giúp ích trong kỳ thi” («Kvant», 1979, số 1) và trong bài báo của G. Bevza “Bài toán bạn có thể giải quyết dễ dàng hơn” («Kvant», 1979, số 11).

Bài tập

  1. Cho hai đường giao nhau aa và bb. Tìm tập hợp các điểm XX chia theo tỷ lệ không đổi các đoạn ABAB (∣AX∣:∣XB∣=k|AX|:|XB|=k), trong đó aa điểm AA chạy dọc theo đường thẳng aa, BB chạy qua đường thẳng bb; 6) tương tự, nhưng với điều kiện đường thẳng ABAB luôn song song với mặt phẳng đã cho aa.

  2. Cho một đa giác bốn sợi khép kín không khóa ABCDABCD (“tứ giác không gian”). Chứng minh rằng các điểm KK, LL, MM, NNlấy trên các liên kết của nó ABAB, BCBC, CDCD Và DADA lần lượt nằm trong cùng một mặt phẳng khi và chỉ khi AKKB⋅BLLC⋅CMMD⋅DNNA=1\frac{AK}{KB} \cdot \frac{BL}{LC} \cdot \frac{CM}{MD} \cdot \frac{DN}{NA} = 1.

  3. Cho một tham số lục giác đều SABCDEFSABCDEF có đỉnh SS. Trên các cạnh SASA và SCSC, các điểm KK và LL được lấy sao cho ∣SK∣:∣KA∣=3|SK|:|KA|=3, ∣SL∣:∣LC∣=1/3|SL|:|LC|=1/3, điểm MM là điểm giữa của aa) cạnh SFSF, 6) cạnh SESE. Xác định các cạnh của paramid giao với mặt phẳng (KLMKLM) và chúng chia nó theo tỷ lệ nào.

  4. (MIPT, 1975). Diện tích của hình thang ABCDABCD bằng SS, tỉ số chiều dài của các đáy là ∣AD∣:∣BC∣=3:1|AD|:|BC|=3:1. Đoạn thẳng MKMK được định vị sao cho song song với cạnh CDCD và cắt cạnh ABAB, đồng thời đoạn thẳng AMAM song song với đoạn thẳng BKBK. Xác định diện tích tam giác BKCBKC nếu ∣AM∣:∣BK∣=3:2|AM|:|BK|=3:2, ∣MK∣:∣CD∣=1:3|MK|:|CD|=1:3 (tìm tất cả lời giải).

  5. (MIPT, 1976): Trên các đường chéo AB1AB_1 và CA1CA_1 của các mặt bên của các đường tam giác ABCA1B1C1ABCA_1B_1C_1 các điểm tương ứng DD và EE được đặt sao cho (DE)∥(BC1)(DE) \parallel (BC_1). Xác định mối quan hệ ∣DE∣:∣BC1∣|DE|:|BC_1|.

  6. (MIPT, 1977). Cạnh đáy ABCDABCD của paramid thông thường SABCDSABCD có chiều dài aa, cạnh bên có chiều dài 2a2a. Kiểm tra các đoạn có đầu nằm trên đường chéo BDBD của đế và cạnh bên SCSC, song song (SAD). Tìm độ dài ngắn nhất của tất cả các đoạn đang xem xét.

  7. (M462). Mặt phẳng cắt các cạnh bên của một paramid nhân bốn đều tại các điểm cách đỉnh ở các khoảng cách aa, bb, cc và dd. Chứng minh rằng 1a+1c=1b+1d\frac{1}{a} + \frac{1}{c} = \frac{1}{b} + \frac{1}{d}.

  8. (MSU, Cơ học và Toán học, 1978). Thể tích của tứ diện ABCDABCD bằng 5. Vẽ một mặt phẳng đi qua trung điểm của các cạnh ADAD và BCBC, cắt cạnh CDCD tại điểm MM. Trong trường hợp này, tỷ lệ độ dài của đoạn DMDM với độ dài của đoạn MCMC bằng 23\frac{2}{3}. Tính diện tích mặt cắt ngang của tứ diện theo mặt phẳng đã cho nếu khoảng cách từ nó đến đỉnh AA bằng 1.

  9. (MSU, Khoa Địa chất, 1974). Cho hình lập phương ABCDA1B1C1D1ABCDA_1B_1C_1D_1, chiều dài cạnh của nó là 1 cm. Trên các cạnh AA1,BB1,DD1AA_1, BB_1, DD_1, các điểm tương ứng KK, PP và MM được lấy sao cho ∣AK∣:∣AK∣=1:3|AK|:|A_K|=1:3, ∣BP∣:∣BP∣=3:1|BP|:|B_P|=3:1, ∣DM∣:∣DM∣=3:1|DM|:|D_M|=3:1. Tìm thể tích của một paramid có đáy là một phần của hình lập phương bằng mặt phẳng đi qua các điểm KK, PP và MM và đỉnh nằm ở điểm A1A_1.

  10. Trong hình song song ABCDA1B1C1D1ABCDA_1B_1C_1D_1 diện tích của các mặt ABB1A1ABB_1A_1 và BCC1B1BCC_1B_1 bằng nhau, ACC1A1ACC_1A_1 và BDD1B1BDD_1B_1 tương ứng là s1s_1 và s2s_2. Hãy chứng minh rằng s12+s22=2(S12+S22)s_1^2 + s_2^2 = 2(S_1^2 + S_2^2). Biểu thị góc ở cạnh AA1AA_1 bằng cách sử dụng hai góc thông qua các mặt phẳng này.