Задача 55

Ребро куба равно 1. Найдите объем треугольной пирамиды, вершины которой находятся в центре трёх смежных граней и в вершине, не принадлежащей этим граням.

Замечание.
Обратите внимание, что рисунок интерактивный. Точки, большие по размеру, можно двигать мышкой.

Решение:

Пусть заданный куб ABCDA_1B_1C_1D_1, в котором грани  ABCD ,  BCC_{1}B_{1} и  BCC_{1}B_{1} — смежные.

Точки  O ,  P и  N — середины этих граней(квадратов).

Точки  H ,  E — середины ребер  BC и  AB.

Следовательно  OH = HP = OE = EN = \dfrac{1}{2} .
Очевидно, что точки O, P, N образуют равносторонний треугольник, сторона которого равна диагонали квадратов со стороной \frac{1}{2}.

По теореме Пифагора
OP=ON=PN=\sqrt{\left(\dfrac{1}{2}\right)^2+\left(\dfrac{1} {2}\right)^2} = \dfrac{1}{\sqrt{2}} .
Тогда
 S_{\triangle NPO} = \dfrac{\dfrac{1}{(\sqrt{2})^2}\cdot\sqrt{3}}{4} = \dfrac{\left(\dfrac{1}{\sqrt{2}}\right)^2\cdot\sqrt{3}}{4} = \dfrac{\sqrt{3}}{8} .

В силу симметрии D_1O=D_1P=D_1N. Следовательно пирамида D_1NPO — правильная. Найдем ее высоту D_1T. Для этого рассмотрим прямоугольный  \triangle{D_1TN}.

Точка T середина правильного  \triangle{PON} со стороной  a = \dfrac{1}{\sqrt{2}} , значит катет TN равен радиусу описанной около правильного  \triangle{PON} окружности:

 TN =\dfrac{a\sqrt{3}}{3} = \dfrac{a}{\sqrt{3}} = \dfrac{\dfrac{1}{\sqrt{2}}}{\sqrt{3}} = \dfrac{1}{\sqrt{6}} .
Рассмотрим прямоугольный \triangle{D_{1}A_{1}N}. По теореме Пифагора
D_{1}N = \sqrt{1 +\left(\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right)^2} = \sqrt{\dfrac{3}{2}}.

Тогда высоту пирамиды найдем по теореме Пифагора для \triangle D_1TN:
 D_{1}T = \sqrt{D_{1}N^2 - TN^2} = \sqrt{\left(\sqrt{\dfrac{3}{2}}\right)^2-\left(\dfrac{1}{\sqrt{6}}\right)^2} = \sqrt{\dfrac{4}{3}} =\dfrac{2}{\sqrt{3}} .
Вычислим объем пирамиды: 
V=\dfrac{1}{3}\cdot S_{\triangle NPO}\cdot D_1T=\dfrac{1}{3}\cdot\dfrac{\sqrt{3}}{8}\cdot \dfrac{2}{\sqrt{3}}=\dfrac{1}{12}.

Ответ:

\dfrac{1}{12} .

Тағйироти охирин: Ҷумъа 3 Феврал 2023, 16:26