Ответы на 15 вопросов. Фоксфорд. ГЕОМЕТРИЯ 10 КЛАССпрямым, лежащим в некоторой плоскости, то она перпендикулярна к этой плоскости. Перпендикуляром, проведённым из точки на плоскость, называется отрезок прямой, параллельной данной плоскости, который соединяет
Дан правильный тетраэдр со стороной a, в одной из граней проведён отрезок на расстоянии h от вершины; исследуйте…стороной a, в одной из граней проведён отрезок на расстоянии h от вершины; исследуйте влияние h на положение точки пересечения медиан тетраэдра и предложите общие формулы для сечений
Ответ на вопрос
Нужна небольшая оговорка: ниже под «отрезком на расстоянии \(h\) от вершины» я понимаю сечение тетраэдра плоскостью, параллельной противоположной грани, на расстоянии \(h\) от данной вершины (это естественное геометрическое уточнение для правильного тетраэдра).
Обозначения: правильный тетраэдр с ребром \(a\); вершина \(A\), противоположная грань \(BCD\); высота от \(A\) до плоскости \(BCD\)
\[
H=\sqrt{\tfrac{2}{3}}\,a.
\]
1) Точка пересечения медиан (центроид) полного тетраэдра:
\[
AG=\tfrac{3}{4}H,\qquad\text{(то есть расстояние от основания до }G\;=\;H/4).
\]
(В любом тетраэдре медианы пересекаются в одной точке и делятся в отношении \(3:1\) от вершины к центру противоположной грани.)
2) Сечение плоскостью на расстоянии \(h\) от вершины \(A\) (параллельно грани \(BCD\)):
- линейный масштаб сечения относительно основания равен \(\dfrac{h}{H}\), поэтому сторона сечения (равностороннего треугольника)
\[
a(h)=a\cdot\frac{h}{H}.
\]
- площадь сечения
\[
S(h)=\frac{\sqrt{3}}{4}\,a(h)^2=\frac{\sqrt{3}}{4}\,a^2\left(\frac{h}{H}\right)^2.
\]
- объём всего тетраэдра
\[
V=\frac{a^3}{6\sqrt{2}}.
\]
- объём малого «верхнего» тетраэдра высоты \(h\)
\[
V_{\text{top}}(h)=V\left(\frac{h}{H}\right)^3.
\]
- объём оставшегося усечённого тетраэдра (фрустра)
\[
V_{\text{fr}}(h)=V\left(1-\left(\frac{h}{H}\right)^3\right).
\]
3) Положение центра масс (точки пересечения медиан) усечённого тетраэдра:
- центроид полного тетраэдра на высоте \(\tfrac{3}{4}H\) от \(A\);
- центроид верхнего малого тетраэдра на высоте \(\tfrac{3}{4}h\) от \(A\);
- центроид фрустра по формуле взвешенного среднего (по объёмам) даёт расстояние от \(A\)
\[
z(h)=\frac{V\cdot\frac{3}{4}H - V_{\text{top}}(h)\cdot\frac{3}{4}h}{V-V_{\text{top}}(h)}
=\frac{3}{4}\,\frac{H^4-h^4}{H^3-h^3}.
\]
(При \(h=0\) получаем \(z(0)=\tfrac{3}{4}H\); при \(h\to H\) объём фрустра стремится к нулю и формула даёт соответствующее вырождение.)
Итого: изменение \(h\) меняет линейный масштаб сечений как \(\sim h\), площади как \(\sim h^2\), объёмы как \(\sim h^3\); центроид полного тетраэдра фиксирован (\(3/4\) высоты), а центроид оставшейся части выражается формулой \(z(h)\) выше и плавно смещается при увеличении \(h\).
Еще В пространстве проведён секущий план, пересекающий пирамиду по треугольнику; изучите зависимость площади…В пространстве проведён секущий план, пересекающий пирамиду по треугольнику; изучите зависимость площади сечения от расстояния плоскости от вершины пирамиды и докажите формулу для площади через параметры
Ответ на вопрос
Уточнение: дальше рассматривается секущая плоскость, параллельная основанию пирамиды; в общем положении (непараллельная) площадь сечения зависит и от ориентации, а не только от расстояния до вершины.
Пусть вершина пирамиды = \(A\), плоскость основания на расстоянии \(H\) от \(A\), площадь основания = \(S_b\). Рассмотрим плоскость, параллельную основанию, на расстоянии \(x\) от вершины \(A\) ( \(0\le x\le H\) ). Она пересекает пирамиду по треугольнику, подобному основанию.
Обозначим вершины основания \(B_1,B_2,B_3\) и соответствующие точки пересечения секущей плоскости с ребрами \(AB_1,AB_2,AB_3\) как \(C_1,C_2,C_3\). По подобию треугольников
\[
\frac{AC_i}{AB_i}=\frac{x}{H}\quad\text{для }i=1,2,3,
\]
откуда линейный масштаб подобия равен \(k=\dfrac{x}{H}\). Площадь подобного треугольника изменяется как квадрат линейного масштаба, поэтому площадь сечения
\[
S(x)=S_b\cdot k^2=S_b\left(\frac{x}{H}\right)^2.
\]
Альтернативно, если измерять расстояние от плоскости сечения до основания через \(y=H-x\), то
\[
S(y)=S_b\left(1-\frac{y}{H}\right)^2.
\]
Итог: при параллельной секущей плоскости площадь сечения зависит от расстояния \(x\) от вершины по закону
\[
\boxed{\,S(x)=S_b\left(\dfrac{x}{H}\right)^2\,},
\]
где \(H\) — высота пирамиды от вершины до плоскости основания, \(S_b\) — площадь основания.
Еще