Исследуйте и докажите свойства вписанных и описанных окружностей в остроугольном треугольнике при продольных сечениях правильной пирамиды

25 Ноя в 11:52
2 +1
0
Ответы
1
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= (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 ABSO=ah. Полупериметр s=2ℓ+2a2=ℓ+as=\tfrac{2\ell+2a}{2}=\ell+as=22+2a =+a. Тогда радиус вписанной окружности
r=Δs=ahℓ+a. r=\frac{\Delta}{s}=\frac{a h}{\ell+a}.
r=sΔ =+aah .
Для описанной окружности используем соотношение в равнобедренном треугольнике: пусть γ=∠S\gamma=\angle Sγ=S. Тогда AO=ℓsin⁡γ2=aAO=\ell\sin\frac{\gamma}{2}=aAO=sin2γ =a, значит cos⁡γ2=hℓ\cos\frac{\gamma}{2}=\frac{h}{\ell}cos2γ =h . Так как R=ℓ2cos⁡(γ/2)R=\dfrac{\ell}{2\cos(\gamma/2)}R=2cos(γ/2) , получаем
R=ℓ2cos⁡(γ/2)=ℓ22h. R=\frac{\ell}{2\cos(\gamma/2)}=\frac{\ell^2}{2h}.
R=2cos(γ/2) =2h2 .
Альтернативно, подставив ℓ2=h2+a2\ell^2=h^2+a^22=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=+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=hR.
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=hR 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(R2r),
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=2h2 ,r=+aah ,
а их проекции на SOSOSO равны OC=h−ROC=h-ROC=hR и OI=rOI=rOI=r. Эти формулы и наблюдения легко доказываются из симметрии и стандартных формул для радиусов окружностей в треугольнике.
25 Ноя в 13:00
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир