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

Khối phụ trợ

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
M. R. LIVERSON

Với lời giải bài toán trong phép đo lập thể, khó khăn thường nảy sinh ngay từ bước đầu tiên. Bạn cần có trí tưởng tượng hình học phát triển tốt để tưởng tượng ra bức tranh không gian tương ứng. Nếu chúng ta đang nói về các vật thể hình học mà chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày (khối lập phương, quả bóng, hình trụ, hình bình hành, v.v.), thì những đồ vật này rất dễ hình dung. Bạn biết cách vẽ chúng. Ví dụ, việc mô tả các đường thẳng giao nhau hoặc một tập hợp các đường thẳng và mặt phẳng trong không gian sẽ khó khăn hơn nhiều. Và không chỉ mô tả mà còn tạo một bức vẽ giúp lời giải bài toán.

Có một phương pháp cho phép bạn trình bày những khó khăn này trong một số trường hợp. Nó dựa trên sự xem xét sau đây. Nếu cấu hình không gian khó nhận biết và không được liên kết với một vật thể hình học cụ thể, thì chúng ta sẽ cố gắng liên kết nó một cách giả tạo với một vật thể nào đó. Ví dụ, với một khối lập phương.

Khối lập phương được vẽ trên giấy giúp chúng ta thực hiện trí tưởng tượng dễ dàng hơn. Ví dụ: trên hình 1, việc các đường ll và mm bị lệch là không đúng. Chúng tôi đã loại bỏ khối lập phương (hình 2) và độ trong của không gian biến mất - chúng tôi thấy các đường giao nhau ll và mm trên mặt phẳng.

Một ví dụ khác. Khi các tia ll, mm và nn phát ra từ một điểm A1A_1, chẳng hạn như các đường thẳng giao nhau hoặc một tập hợp các đường thẳng và mặt phẳng trong không gian. Trên hình 4 không có khối lập phương nên hình ảnh trở nên phẳng. Để nhìn thấy cùng một góc tam giác trên đó, chúng ta phải buộc trí tưởng tượng của mình hoạt động.

Việc sử dụng khối phụ không chỉ “biến” một bức tranh phẳng thành hình ba chiều mà còn chỉ ra các đường dẫn lời giải bài toán. ủng hộ-

47

chứng minh điều này trong các ví dụ sau*).

Bài toán 1. Các góc phẳng của một góc tam diện là 45°, 45° và 60°. Một đường thẳng đi qua đỉnh của nó, vuông góc với một trong các mặt có góc phẳng là 45°. Tìm góc giữa đường thẳng này và cạnh của một góc tam diện không nằm trên mặt đó.

Lời giải. Xét khối phụ ABCDA1B1C1D1ABCDA_1B_1C_1D_1 (hình 5). Chúng ta hãy vẽ các đường chéo AB1AB_1 và ACAC của hai mặt liền kề của nó. Chúng ta có B1AB⌢=45∘B_1\overset{\frown}{AB} = 45^\circ, BAC⌢=45∘B\overset{\frown}{AC} = 45^\circ, B1AC⌢=60∘B_1\overset{\frown}{AC} = 60^\circ là góc của tam giác đều AB1CAB_1C. Do đó, góc tam giác AB1BCAB_1BC là góc được đề cập trong điều kiện bài toán. Cạnh AA1AA_1 đi qua đỉnh AA của nó và vuông góc với mặt BACBAC. Điều này có nghĩa là chúng ta cần tìm góc A1AB1A_1AB_1. Đáp số rất giống: A1AB1⌢=45∘A_1\overset{\frown}{AB_1} = 45^\circ.

Lời giải cái bài toán này mà không sử dụng khối lập phương thì khá khó và lâu hơn đáng kể**). Ở đây chúng ta không cần phải đếm gì cả: đáp số chúng ta đã “đọc được” trên khối lập phương. Nhưng những trường hợp như vậy rất hiếm.

Bài toán 2. Góc giữa hai cạnh của một góc tam diện là một đường thẳng và độ lớn mỗi góc phẳng của các cạnh này là α\alpha. Tìm các giá trị của góc phẳng của mặt thứ ba.

Lời giải. Đầu tiên, chúng ta sẽ giả sử rằng góc α\alpha là góc nhọn. Đặt đỉnh AA của khối phụ ABCDA1B1C1D1ABCDA_1B_1C_1D_1 (hình 6) là đỉnh của một góc tam diện và các đoạn AM,ABAM, AB và ANAN các cạnh của nó (nếu α>45∘\alpha > 45^\circ thì các điểm MM và NN nằm trên phần kéo dài của các cạnh BB1BB_1 và BCBC). Bạn cần tìm góc MANMAN.

Chúng ta hãy thả một đường vuông góc MPMP từ điểm MM lên đoạn ANAN và nối các điểm BB và PP. Theo định lý ba đường vuông góc thì đoạn BPBP vuông góc với đoạn ANAN. Từ các tam giác vuông APBAPB và ABMABM ta thu được

∣AP∣=∣AB∣⋅cos⁡α,∣AM∣=∣AB∣cos⁡α.|AP| = |AB| \cdot \cos \alpha, \quad |AM| = \frac{|AB|}{\cos \alpha}.

*) bài toán được thảo luận trong bài viết này được đưa ra vào các năm khác nhau trong kỳ thi tuyển sinh viết môn toán tại các khoa khác nhau của Đại học Tổng hợp Moscow. M. V. Lomonoeva.

**) Cả lời giải (có và không có khối lập phương) đều được đưa ra trong sách bởi Dorofeev G.V., Potapov M.K., Rozov N.Kh. Sổ tay toán học dành cho ứng viên đại học (M. Nauka, 1976, trang 467-469).

48

Góc cần tìm MAN^M\widehat{AN} là góc nhọn của tam giác vuông APMAPM; Đó là lý do tại sao

cos⁡MAN^=∣AP∣∣AM∣=∣AB∣⋅cos⁡α⋅cos⁡α∣AB∣=cos⁡2α,\cos M\widehat{AN} = \frac{|AP|}{|AM|} = \frac{|AB| \cdot \cos \alpha \cdot \cos \alpha}{|AB|} = \cos^2 \alpha,

MAN^=arccos⁡(cos⁡2α).M\widehat{AN} = \arccos(\cos^2 \alpha).

Nếu góc là α=90∘\alpha = 90^\circ thì góc mong muốn là góc vuông, góc này cũng có thể được viết bằng kết quả tương ứng.

Vì vậy, đáp số giống nhau trong mọi trường hợp: arccos⁡(cos⁡2α)\arccos(\cos^2 \alpha).

Chúng ta thấy rằng việc mô tả các góc tam giác trên một khối lập phương là thuận tiện, hai mặt của chúng đã được phân bố lại. Điều này là do thực tế là khối lập phương có hai góc vuông. Nhưng hình lập phương cũng chứa một chiều dài – chiều dài cạnh của nó. Điều này giúp có thể mô tả khoảng cách trong bản vẽ.

Bài 3. Đáy MNMN và đỉnh KK của tam giác cân MNKMNK nằm trên các mặt khác nhau của một góc nhị diện vuông có cạnh ll. Các điểm MM và KK cách ll một khoảng aa và hình chiếu của điểm NN lên cạnh ll cách đều hình chiếu của các điểm MM và KK lên cạnh ll. Tìm khoảng cách từ điểm NN đến ll nếu MKMK tạo thành một góc với ll bằng 60∘60^\circ.

Lời giải. Cho chiều dài cạnh của hình lập phương phụ ABCDA1B1C1B1ABCDA_1B_1C_1B_1 bằng aa và hai góc tính từ điều kiện bài toán tạo thành bởi gam AA1B1BAA_1B_1B và ABCDABCD (hình 7). Khi đó điểm MM nằm trên cạnh A1B1A_1B_1 và điểm KK nằm trên cạnh CDCD (hoặc trên phần mở rộng của chúng). Hãy căn chỉnh điểm MM với đỉnh của khối lập phương A1A_1. Đặt điểm KK nằm trên cạnh CDCD (nó có thể nằm trên phần tiếp theo của cạnh CDCD ngoài đỉnh DD, điểm này không làm thay đổi khoảng cách của chúng ta).

Hình 7.

Chúng ta hãy thả phép phân phối lại KPKP lên cạnh ABAB và đánh dấu điểm giữa QQ của đoạn APAP. Trong mặt phẳng của khuôn mặt AMB1BAMB_1B, chúng tôi tái cấu trúc từ điểm QQ sự phân bổ lại đến cạnh ABAB. Đỉnh NN của tam giác MNKMNK nằm trên phân bố lại này, vì hình chiếu QQ của nó cách đều hình chiếu của các điểm MM và KK. Lưu ý rằng điểm NN nằm phía trên cạnh MB1MB_1; nếu không thì tam giác MNKMNK sẽ không đều.

Hãy vẽ các đoạn MDMD và KQKQ. ∣MD∣=a2|MD| = a\sqrt{2} giống như đường chéo của một hình vuông nhìn từ cạnh aa. Theo điều kiện, góc giữa các đường giao nhau ABAB và MKMK bằng 60∘60^\circ. Nhưng đường thẳng CDCD song song với đường thẳng ABAB, do đó MKD=60∘MKD = 60^\circ. Từ tam giác vuông MDKMDK có

∣MK∣=∣MD∣sin⁡60∘=2a23,∣DK∣=a23.|MK| = \frac{|MD|}{\sin 60^\circ} = \frac{2a\sqrt{2}}{\sqrt{3}}, |DK| = \frac{a\sqrt{2}}{\sqrt{3}}.

Trong điều kiện ∣NK∣=∣MK∣|NK| = |MK| và ∣AP∣=∣DK∣|AP| = |DK|. Sau đó ∣QP∣=12∣AP∣=12∣DK∣=a6|QP| = \frac{1}{2}|AP| = \frac{1}{2}|DK| = \frac{a}{\sqrt{6}}. Từ tam giác vuông QPKQPK có ∣QK∣2=∣QP∣2+∣KP∣2=7a2/6|QK|^2 = |QP|^2 + |KP|^2 = 7a^2/6. Cuối cùng, từ tam giác vuông NQKNQK ta có

∣NQ∣=∣NK∣2−∣QK∣2=∣MK∣2−∣QK∣2=12a6.|NQ| = \sqrt{|NK|^2 - |QK|^2} = \sqrt{|MK|^2 - |QK|^2} = \frac{1}{2}a\sqrt{6}.

Nhiệm vụ lời giải.

Bài 4. Trong tam giác LMNLMN cho trước: LNM^=90∘L\widehat{NM} = 90^\circ, MNL^=30∘M\widehat{NL} = 30^\circ. Trên đường vuông góc với đoạn LNLN đi qua điểm LL trong không gian lấy một điểm FF sao cho ∣LF∣=∣MN∣|LF| = |MN| được lấy. Các nửa mặt phẳng thuộc tam giác LMNLMN và LNFLNF tạo thành một góc nhị diện bằng 60∘60^\circ. Ở góc này giữa các đường thẳng LMLM và NFNF.

Lời giải. Hãy đặt hình tam giác LMNLMN trên mặt của khối phụ ABCDA1B1C1B1ABCDA_1B_1C_1B_1 như trong hình 8, tức là điểm LL tương thích với đỉnh A1A_1 và điểm NN với đỉnh AA. Hãy để ∣MN∣=a|MN| = a. Chúng ta hãy lần lượt vẽ các đoạn LPLP và NQNQ ở mặt trên và mặt dưới của hình lập phương sao cho PLD1=QND=60∘PLD_1 = QND = 60^\circ. Góc nhị diện tạo bởi các mặt phẳng LND1DLND_1D và LNPQLNPQ là 60∘60^\circ. Trên đoạn LPLP ta lấy điểm FF sao cho ∣LF∣=∣MN∣=a|LF| = |MN| = a. Hãy kết nối các dấu chấm NN và

49

Hình 8.

F. Bản vẽ của chúng tôi đáp ứng đầy đủ các điều kiện.

Hãy tìm góc giữa hai đường thẳng LM và NF. Qua điểm F ta vẽ đoạn FK song song với cạnh LD₁ và có độ dài bằng a. Hãy nối điểm K với các điểm M và L. Góc LMK là góc độc quyền vì đường thẳng MK song song với đường thẳng NF (tứ giác NFKM là hình bình hành). Từ tam giác vuông LNM ta tìm được |LM|=2a. Các tam giác LNM và NLF bằng nhau (ở hai cạnh), do đó |NF|=|LM|=2a. Điều này có nghĩa là |KM|=2a. Trong tam giác LFK |LF|=|FK|=a, LFK=120°. Do đó |LK|=a√3. Từ tam giác LMK có

cos⁡LMK^=∣LM∣2+∣KM∣2−∣LK∣22∣LM∣⋅∣KM∣=8a2−3a22⋅4a2=58,\cos \hat{LMK} = \frac{|LM|^2 + |KM|^2 - |LK|^2}{2|LM| \cdot |KM|} = \frac{8a^2 - 3a^2}{2 \cdot 4a^2} = \frac{5}{8},

nghĩa là, LMK^=arccos⁡58\hat{LMK} = \arccos \frac{5}{8}.

Bài toán 5. Góc giữa hai đường giao nhau là 60°. Điểm M nằm trên một đường thẳng, điểm N nằm trên một đường thẳng khác và khoảng cách từ mỗi điểm này đến đường vuông góc chung của các đường thẳng cắt nhau bằng khoảng cách giữa các đường thẳng đó. Góc nhọn giữa đường vuông góc chung và đường thẳng MN có thể có giá trị bao nhiêu?

Lời giải. Cho một trong các đường chéo đi qua đỉnh A và D của khối phụ ABCDA₁B₁C₁D₁. Chúng ta vẽ đường thẳng thứ hai đi qua đỉnh A₁ một góc 60° với cạnh A₁D₁ trong mặt phẳng của mặt A₁B₁C₁D₁ (hình 9). Khi đó cạnh AA₁ là đường vuông góc chung của các đường thẳng đã cho. Khoảng cách giữa các đường thẳng bằng chiều dài cạnh của khối a, nghĩa là các điểm M và N cách đoạn AA₁ một khoảng a. Hãy căn chỉnh điểm M với đỉnh D. Có hai vị trí có thể có cho điểm N.

  1. Điểm N nằm trong mặt A₁B₁C₁D₁.

Hãy vẽ các đoạn ND₁ và MN. Tam giác A₁ND₁ là tam giác đều nên |ND₁|=a. Góc yêu cầu giữa đường thẳng MN và AA₁ bằng góc NMD₁, vì đường thẳng AA₁ song song với MD₁. Trong tam giác ND₁M

∣ND1∣=∣MD1∣=a,MD1N=90°.|ND₁|=|MD₁|=a, MD₁N=90°.

Điều này có nghĩa là NMD₁=45°.

  1. Điểm N nằm ngoài mặt A₁B₁C₁D₁ (tại hình 9 của điểm N₁).

Hãy vẽ các đoạn N₁D₁ và MN₁. Tam giác N₁A₁D₁ là tam giác đều có góc ở đỉnh bằng 120° và các cạnh bằng a. Do đó, |N₁D₁|=a√3. Góc giữa hai đường thẳng AA₁ và MN₁ bằng góc N₁MD₁. Từ tam giác N₁D₁M ta tìm được N₁MD₁=60°.

Chúng ta thấy rằng việc giới thiệu một tồn tại khối phụ giúp đơn giản hóa lời giải. Trong bài toán tiếp theo, như trong bài toán 1, ​​​​nhờ khối lập phương, chúng ta sẽ tìm được góc mong muốn mà không cần tính toán.

Bài toán 6. Cơ sở của một hình lập phương song song tồn tại đơn giản hóa lời giải. Trong bài toán tiếp theo, như trong bài toán 1, nhờ khối lập phương, chúng ta sẽ tìm được góc mong muốn mà không cần tính toán.

Bài toán 6. Cơ sở của một hình lập phương song song tồn tại đơn giản hóa lời giải. Trong bài toán tiếp theo, như trong bài toán 1, nhờ khối lập phương, chúng ta sẽ tìm được góc mong muốn mà không cần tính toán.

50

Lời giải. Gọi độ dài cạnh của hình lập phương phụ ABCDA1B1C1D1ABCDA_1B_1C_1D_1 bằng 2. Khi đó đường chéo của mỗi mặt của nó bằng 222\sqrt{2}. Chúng ta hãy đặt ứng dụng HPQRHPQR bên trong khối lập phương sao cho các điểm P,QP, Q và RR lần lượt trùng với các điểm D,BD, B và CC (hình 10). Điểm HH trùng với điểm giữa của cạnh RC1RC_1.

Điểm cuối cùng là HH với điểm giữa SS của cạnh PRPR. Hãy vẽ một đường chéo RARA của mặt dưới của hình lập phương. Điểm TT giao nhau của đường chéo RARA và PQPQ là trung điểm của đoạn PQPQ. Cần tìm góc và khoảng cách giữa các đường giao nhau HSHS và RTRT.

Hãy vẽ các đường chéo C1P,B1AC_1P, B_1A và B1RB_1R của các mặt bên của hình lập phương. Rõ ràng đoạn HSHS song song với đoạn B1AB_1A. Do đó, góc chúng ta đang tìm là góc B1ARB_1AR, bằng 60∘60^\circ (tam giác B1ARB_1AR đều).

Bây giờ lưu ý rằng mặt phẳng của tam giác B1ARB_1AR chứa đoạn RTRT và song song với đoạn HSHS. Do đó, khoảng cách cần tìm bằng khoảng cách giữa đường thẳng HSHS và mặt phẳng B1ARB_1AR.

Xét một tứ diện đều có đáy B1ARB_1AR và đỉnh D1D_1. Gọi D1OD_1O là chiều cao của tứ diện. Từ điểm FF giao nhau của các đoạn D1RD_1R và HSHS ta hạ đường vuông góc FEFE xuống đoạn RORO. Đoạn FEFE vuông góc với mặt phẳng B1ARB_1AR hoặc đoạn FEFE song song với đoạn D1OD_1O. Điều này có nghĩa là khoảng cách cần thiết là ∣FE∣|FE|. Từ sự giống nhau của tam giác D1ORD_1OR và FERFER

∣FE∣∣D1O∣=∣FR∣∣D1R∣=14.\frac{|FE|}{|D_1O|} = \frac{|FR|}{|D_1R|} = \frac{1}{4}.

Vẫn còn phải tìm chiều cao của tứ diện D1OD_1O. Trong tam giác vuông D1ORD_1OR, cạnh huyền là ∣D1R∣=22|D_1R| = 2\sqrt{2} và chân RORO bằng 2/3 chiều cao của tam giác vuông B1ARB_1AR tính từ cạnh 222\sqrt{2}, tức là ∣RO∣=263|RO| = \frac{2\sqrt{6}}{3}. Sau đó

∣D1O∣=∣D1R∣2−∣RO∣2=433.|D_1O| = \sqrt{|D_1R|^2 - |RO|^2} = \frac{4\sqrt{3}}{3}.

Cuối cùng,

∣FE∣=14∣D1O∣=33.|FE| = \frac{1}{4}|D_1O| = \frac{\sqrt{3}}{3}.

Bài toán

  1. Góc tam giác OABCOABC có góc vuông giữa các mặt OABOAB và OBCOBC, đồng thời độ lớn của mỗi góc nhị diện còn lại là γγ. Tìm các giá trị của góc phẳng AOCAOC.

  2. Các đỉnh BB và CC của tam giác ABCABC nằm trên các mặt khác nhau của một góc nhị diện có độ lớn 45∘45^\circ với cạnh ll. Cạnh ACAC vuông góc với một mặt và cắt nó ở giữa. Hình chiếu của đoạn BCBC lên ranh giới kia song song với cạnh ll và có độ dài bằng khoảng cách từ điểm CC đến ll. Tìm các góc của tam giác ABCABC.

  3. Trong tam giác vuông ABCABC, chân ACAC ngắn hơn chân BCBC. Thông qua các điểm BB, một đường thẳng được vẽ trong không gian vuông góc với đoạn BCBC, và trên đường thẳng này lấy một điểm DD sao cho ∣BD∣=∣AC∣|BD| = |AC|. Góc nhị diện giữa các hình nón thuộc tam giác BCDBCD và ABCABC là 45∘45^\circ. Tìm góc nhọn giữa đường thẳng ABAB và CDCD.

  4. Góc giữa hai đường cắt nhau là 45∘45^\circ. Điểm MM nằm trên một trong số chúng và điểm NN nằm trên điểm kia. Độ dài đường vuông góc chung của các đường thẳng giao nhau gấp đôi khoảng cách từ điểm MM đến điểm đó và bằng giây nhỏ hơn khoảng cách từ điểm NN đến điểm đó. Tìm góc giữa đường vuông góc chung và đường thẳng MNMN.

  5. Độ dài cạnh của một tứ diện đều SABCSABC bằng 1. BDBD là chiều cao của tam giác ABCABC. Tam giác đều BDEBDE nằm trong mặt phẳng tạo thành một góc φ\varphi với cạnh ACAC, đồng thời các điểm SS và EE nằm cùng một phía của mặt phẳng ABCABC. Tìm khoảng cách giữa các điểm SS và EE.