Пусть SSS — вершина правильной пирамиды, OOO — центр основания; продольным сечением будем называть сечение плоскостью, содержащей ось SOSOSO. Пусть эта плоскость пересекает основание по отрезку ABABAB с midpoint OOO. Обозначим AO=BO=aAO=BO=aAO=BO=a, SA=SB=ℓSA=SB=\ellSA=SB=ℓ (боковое ребро), SO=hSO=hSO=h. Рассмотрим остроугольный треугольник SABSABSAB. 1) Симметрия и положение центров. Плоскость сечения симметрична относительно оси SOSOSO, поэтому треугольник SABSABSAB — равнобедренный с вершиной SSS и медианой/высотой/биссектрисой SOSOSO. Следовательно и центр описанной окружности (пересечение серединных перпендикуляров), и центр вписанной (пересечение биссектрис) лежат на оси симметрии SOSOSO. 2) Формулы для радиусов. Площадь треугольника Δ=12⋅AB⋅SO=ah\Delta=\tfrac12\cdot AB\cdot SO = a hΔ=21⋅AB⋅SO=ah. Полупериметр s=2ℓ+2a2=ℓ+as=\tfrac{2\ell+2a}{2}=\ell+as=22ℓ+2a=ℓ+a. Тогда радиус вписанной окружности r=Δs=ahℓ+a.
r=\frac{\Delta}{s}=\frac{a h}{\ell+a}. r=sΔ=ℓ+aah.
Для описанной окружности используем соотношение в равнобедренном треугольнике: пусть γ=∠S\gamma=\angle Sγ=∠S. Тогда AO=ℓsinγ2=aAO=\ell\sin\frac{\gamma}{2}=aAO=ℓsin2γ=a, значит cosγ2=hℓ\cos\frac{\gamma}{2}=\frac{h}{\ell}cos2γ=ℓh. Так как R=ℓ2cos(γ/2)R=\dfrac{\ell}{2\cos(\gamma/2)}R=2cos(γ/2)ℓ, получаем R=ℓ2cos(γ/2)=ℓ22h.
R=\frac{\ell}{2\cos(\gamma/2)}=\frac{\ell^2}{2h}. R=2cos(γ/2)ℓ=2hℓ2.
Альтернативно, подставив ℓ2=h2+a2\ell^2=h^2+a^2ℓ2=h2+a2, R=h2+a22h=h2+a22h.
R=\frac{h^2+a^2}{2h}=\frac{h}{2}+\frac{a^2}{2h}. R=2hh2+a2=2h+2ha2. 3) Положение центров на отрезке SOSOSO. Координаты (проекции на SOSOSO) центров относительно OOO: для вписанного центра III его перпендикуляр к ABABAB попадает в точку OOO (симметрия), поэтому OI=r=ahℓ+a.
OI=r=\frac{a h}{\ell+a}. OI=r=ℓ+aah.
Для описанного центра CCC имеем SC=RSC=RSC=R и, так как SSS имеет координату hhh, получаем OC=h−R.
OC=h-R. OC=h−R.
Если треугольник остроугольный, оба центра лежат внутри треугольника, т.е. 0<OI<OC<h0<OI<OC< h0<OI<OC<h или, как минимум, 0<OI<h0<OI<h0<OI<h и 0<OC<h0<OC<h0<OC<h (для описанного центра условие R<hR<hR<h эквивалентно остроугольности соответствующих углов). В частности OI=r>0OI=r>0OI=r>0 и OC=h−ROC=h-ROC=h−R дают явные положения центров на оси SOSOSO. 4) Дополнительные соотношения. Между центрами справедливо классическое соотношение Эйлера CI2=R(R−2r),
CI^2=R(R-2r), CI2=R(R−2r),
что в нашей конфигурации сводится к соотношению между числовыми значениями OCOCOC и OIOIOI (учитывая коллинеарность). Краткое резюме: любое продольное сечение правильной пирамиды даёт равнобедренный треугольник SABSABSAB; в остроугольном случае описанная и вписанная окружности имеют центры на оси SOSOSO, радиусы выражаются формулами R=ℓ22h,r=ahℓ+a,
R=\frac{\ell^2}{2h},\qquad r=\frac{a h}{\ell+a}, R=2hℓ2,r=ℓ+aah,
а их проекции на SOSOSO равны OC=h−ROC=h-ROC=h−R и OI=rOI=rOI=r. Эти формулы и наблюдения легко доказываются из симметрии и стандартных формул для радиусов окружностей в треугольнике.
1) Симметрия и положение центров.
Плоскость сечения симметрична относительно оси SOSOSO, поэтому треугольник SABSABSAB — равнобедренный с вершиной SSS и медианой/высотой/биссектрисой SOSOSO. Следовательно и центр описанной окружности (пересечение серединных перпендикуляров), и центр вписанной (пересечение биссектрис) лежат на оси симметрии SOSOSO.
2) Формулы для радиусов.
Площадь треугольника Δ=12⋅AB⋅SO=ah\Delta=\tfrac12\cdot AB\cdot SO = a hΔ=21 ⋅AB⋅SO=ah. Полупериметр s=2ℓ+2a2=ℓ+as=\tfrac{2\ell+2a}{2}=\ell+as=22ℓ+2a =ℓ+a. Тогда радиус вписанной окружности
r=Δs=ahℓ+a. r=\frac{\Delta}{s}=\frac{a h}{\ell+a}.
r=sΔ =ℓ+aah . Для описанной окружности используем соотношение в равнобедренном треугольнике: пусть γ=∠S\gamma=\angle Sγ=∠S. Тогда AO=ℓsinγ2=aAO=\ell\sin\frac{\gamma}{2}=aAO=ℓsin2γ =a, значит cosγ2=hℓ\cos\frac{\gamma}{2}=\frac{h}{\ell}cos2γ =ℓh . Так как R=ℓ2cos(γ/2)R=\dfrac{\ell}{2\cos(\gamma/2)}R=2cos(γ/2)ℓ , получаем
R=ℓ2cos(γ/2)=ℓ22h. R=\frac{\ell}{2\cos(\gamma/2)}=\frac{\ell^2}{2h}.
R=2cos(γ/2)ℓ =2hℓ2 . Альтернативно, подставив ℓ2=h2+a2\ell^2=h^2+a^2ℓ2=h2+a2,
R=h2+a22h=h2+a22h. R=\frac{h^2+a^2}{2h}=\frac{h}{2}+\frac{a^2}{2h}.
R=2hh2+a2 =2h +2ha2 .
3) Положение центров на отрезке SOSOSO.
Координаты (проекции на SOSOSO) центров относительно OOO: для вписанного центра III его перпендикуляр к ABABAB попадает в точку OOO (симметрия), поэтому
OI=r=ahℓ+a. OI=r=\frac{a h}{\ell+a}.
OI=r=ℓ+aah . Для описанного центра CCC имеем SC=RSC=RSC=R и, так как SSS имеет координату hhh, получаем
OC=h−R. OC=h-R.
OC=h−R. Если треугольник остроугольный, оба центра лежат внутри треугольника, т.е. 0<OI<OC<h0<OI<OC< h0<OI<OC<h или, как минимум, 0<OI<h0<OI<h0<OI<h и 0<OC<h0<OC<h0<OC<h (для описанного центра условие R<hR<hR<h эквивалентно остроугольности соответствующих углов). В частности OI=r>0OI=r>0OI=r>0 и OC=h−ROC=h-ROC=h−R дают явные положения центров на оси SOSOSO.
4) Дополнительные соотношения.
Между центрами справедливо классическое соотношение Эйлера
CI2=R(R−2r), CI^2=R(R-2r),
CI2=R(R−2r), что в нашей конфигурации сводится к соотношению между числовыми значениями OCOCOC и OIOIOI (учитывая коллинеарность).
Краткое резюме: любое продольное сечение правильной пирамиды даёт равнобедренный треугольник SABSABSAB; в остроугольном случае описанная и вписанная окружности имеют центры на оси SOSOSO, радиусы выражаются формулами
R=ℓ22h,r=ahℓ+a, R=\frac{\ell^2}{2h},\qquad r=\frac{a h}{\ell+a},
R=2hℓ2 ,r=ℓ+aah , а их проекции на SOSOSO равны OC=h−ROC=h-ROC=h−R и OI=rOI=rOI=r. Эти формулы и наблюдения легко доказываются из симметрии и стандартных формул для радиусов окружностей в треугольнике.