Докажите или опровергните: если в тетраэдре сумма квадратов двух противоположных ребер равна сумме квадратов двух других противоположных ребер, то тетраэдр обладает осью симметрии; приведите примеры и контрпримеры

26 Ноя в 14:03
1 +1
0
Ответы
1
Короткий ответ: утверждение в общем неверно. Доказательство и примеры далее.
1) Эквивалентность с перпендикулярностью. Пусть вершины тетраэдра заданы векторами a,b,c,d∈R3a,b,c,d\in\mathbb R^3a,b,c,dR3. Тогда
(∣a−b∣2+∣c−d∣2)−(∣a−c∣2+∣b−d∣2)=−2((a−c)⋅(b−d)). (|a-b|^2+|c-d|^2)-(|a-c|^2+|b-d|^2)
=-2\bigl((a-c)\cdot(b-d)\bigr).
(ab2+cd2)(ac2+bd2)=2((ac)(bd)).
Следовательно одинаковость сумм квадратов
∣a−b∣2+∣c−d∣2=∣a−c∣2+∣b−d∣2 |a-b|^2+|c-d|^2=|a-c|^2+|b-d|^2
ab2+cd2=ac2+bd2
равносильна условию
(a−c)⋅(b−d)=0, (a-c)\cdot(b-d)=0,
(ac)(bd)=0,
то есть векторам (рёбрам) ACACAC и BDBDBD — перпендикулярности.
2) Почему это не даёт оси симметрии. Равенство сумм (или, эквивалентно, перпендикулярность двух противоположных рёбер) не гарантирует наличия поворотной симметрии на 180∘180^\circ180, т.к. для такой симметрии нужнее, чтобы ось поворота проходила через середины этих рёбер и была перпендикулярна обоим рёбрам (тогда ось будет серединно-перпендикулярной для каждого из отрезков и поворот переставит концы). Перпендикулярность рёбер сама по себе не обеспечивает перпендикулярности оси к этим рёбрам.
3) Контрпример (равенство сумм есть, симметрии нет). Возьмём
A=(0,0,0),C=(2,0,0),B=(0,0,1),D=(0,2,1). A=(0,0,0),\quad C=(2,0,0),\quad B=(0,0,1),\quad D=(0,2,1).
A=(0,0,0),C=(2,0,0),B=(0,0,1),D=(0,2,1).
Тогда AC=(2,0,0), BD=(0,2,0)AC=(2,0,0),\;BD=(0,2,0)AC=(2,0,0),BD=(0,2,0) и (a−c)⋅(b−d)=AC⋅BD=0(a-c)\cdot(b-d)=AC\cdot BD=0(ac)(bd)=ACBD=0, значит
∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2. |AB|^2+|CD|^2=|AC|^2+|BD|^2.
AB2+CD2=AC2+BD2.
Между тем середины ACACAC и BDBDBD равны MAC=(1,0,0)M_{AC}=(1,0,0)MAC =(1,0,0) и MBD=(0,1,1)M_{BD}=(0,1,1)MBD =(0,1,1); вектор оси v=MBD−MAC=(−1,1,1)v=M_{BD}-M_{AC}=(-1,1,1)v=MBD MAC =(1,1,1) даёт
v⋅AC=(−1,1,1)⋅(2,0,0)=−2≠0, v\cdot AC=(-1,1,1)\cdot(2,0,0)=-2\ne0,
vAC=(1,1,1)(2,0,0)=2=0,
то есть эта «ось» не перпендикулярна ACACAC. Следовательно нет поворота на 180∘180^\circ180, переставляющего A↔CA\leftrightarrow CAC и B↔DB\leftrightarrow DBD — симметрии нет.
4) Пример, где равенство даёт ось симметрии. Возьмём
A=(1,0,1), C=(−1,0,1), B=(0,1,−1), D=(0,−1,−1). A=(1,0,1),\; C=(-1,0,1),\; B=(0,1,-1),\; D=(0,-1,-1).
A=(1,0,1),C=(1,0,1),B=(0,1,1),D=(0,1,1).
Здесь AC=(−2,0,0), BD=(0,−2,0)AC=(-2,0,0),\;BD=(0,-2,0)AC=(2,0,0),BD=(0,2,0), они перпендикулярны; середины (0,0,1)(0,0,1)(0,0,1) и (0,0,−1)(0,0,-1)(0,0,1) лежат на оси zzz-; ось zzz перпендикулярна и к ACACAC, и к BDBDBD, поэтому поворот на 180∘180^\circ180 вокруг оси zzz меняет A↔C, B↔DA\leftrightarrow C,\;B\leftrightarrow DAC,BD. То есть равенство сумм здесь сопровождается осью симметрии.
5) Замечание. Если равенство сумм выполняется для всех трёх пар противоположных рёбер,
∣AB∣2+∣CD∣2=∣AC∣2+∣BD∣2=∣AD∣2+∣BC∣2, |AB|^2+|CD|^2=|AC|^2+|BD|^2=|AD|^2+|BC|^2,
AB2+CD2=AC2+BD2=AD2+BC2,
то тетраэдр ортогонален (противоположные рёбра попарно перпендикулярны). И всё же ортогональный тетраэдр в общем не обязателен иметь ось симметрии (условие перпендикулярности каждого лишь даёт геометрическую структуру, а не обязательную поворотную симметрию).
Итого: равенство сумм квадратов противоположных рёбер эквивалентно перпендикулярности соответствующих рёбер, но не эквивалентно наличию оси симметрии; нужны дополнительные условия (середины рёбер на одной прямой и эта прямая перпендикулярна обоим рёбрам).
26 Ноя в 15:20
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