Теореми Чеви і Менелая та їх застосування

Дипломная работа - Математика и статистика

Другие дипломы по предмету Математика и статистика

астосовується мало відома стереометрична теорема Менелая для довільного тетраедра.

Теорема Менелая для тетраедра. У довільному тетраедрі точки належать ребрам і відповідно (див. рис. 2.1). Для того, щоб точки належали однієї площині, необхідно і достатньо, щоб виконувалось співвідношення

 

(2.1)

 

Рис 2.1 До формулювання теореми Менелая для довільного тетраедра

 

Доведення. Необхідність. Нехай чотирикутник перетин даного тетраедра деякою площиною . Проведемо перпендикуляри до площи-ни . Розглянемо фрагмент перетин ребра площиною (див. рис. 2.2).

Рис 2.2 До доведення теореми Менелая

 

Трикутники та подібні, тому .

Трикутники та подібні, тому .

 

 

Трикутники та подібні, тому .

 

 

Трикутники та подібні, тому .

 

Перемножуючи знайдені пропорції, приходимо до рівності:

 

.

 

Достатність. Припустимо, що виконується співвідношення (2.1), але точки не лежать в одній площині. Проведемо через точки площину , що перетинає ребро в деякій точці , відмінної від . Тому ,

отже, співвідношення (2.1) для точок виконуватися не буде. Оскільки ми прийшли до протиріччя з вихідною умовою (не виконується рівність (2.1)), то наше припущення невірне й площина пройде через точку .

Теорема доведена.

Наведемо застосування цієї теореми до розвязання стереометричних задач.

 

Задача 2.1 У тетраедрі точки належать ребрам і відповідно (див. рис. 2.3), причому і . Через точки проведена площина . У якому відношенні ця площина поділяє обєм тетраедра?

 

Рис. 2.3 До задачі 2.1

 

Розвязок. Нехай площина перетинає ребро в точці . Чотирикутник переріз даного тетраедра площиною . Визначимо, у якому відношенні точка поділяє ребро . На підставі співвідношення (2.1) та умови задачі маємо

 

,

звідки.

 

У багатограннику проведемо переріз через ребро і вершину . Цей переріз розбиває розглянутий багатогранник на трикутну піраміду і чотирикутну піраміду , яка діагональним перерізом розбивається на дві трикутні піраміди: .

Нехай площа грані , довжина висоти тетраедра, проведена з вершини , обєм даного тетраедра. Визначимо обєми трьох отриманих вище трикутних пірамід. Для піраміди :

 

де довжина висоти трикутної піраміди , проведена з вершини на площину грані (). Тоді

 

 

Нехай далі площа грані , довжина висоти даного тетраедра, проведена з вершини на площину грані . Тоді

 

 

де довжина перпендикуляра, проведеного з вершини на площину грані () і

 

 

Знайдемо тепер обєм багатогранника :

 

Отже, .

 

У такий спосіб шукане відношення дорівнює 23:40.

Відповідь: 23:40.

 

Задача 2.2. Обєм тетраедра дорівнює 5. Через середини ребер проведена площина, яка перетинає ребро в точці . При цьому відношення довжини відрізка до довжини відрізка дорівнює . Знайдіть площу перерізу тетраедра зазначеною площиною, якщо відстань до неї від вершини дорівнює 1.

 

Рис. 2.4 До задачі 2.2

 

Розвязок.

Нехай і середини ребер відповідно і .

Чотирикутник заданий за умовою переріз. На підставі теореми Менелая

 

,

,

 

звідки .

Зєднаємо точки і , і , і .

Нехай і довжина висоти тетраедра, проведена з вершини На рисунку не наведено), дорівнює . Згідно з умовою задачі . Висота піраміди , проведена з вершини дорівнює .

Знайдемо тепер обєм піраміди :

 

 

Далі нехай і довжина висоти тетраедра, проведена з вершини на грань дорівнює . Тоді обєм піраміди дорівнює

 

.

 

З іншої сторони (враховуючи, що відстань від вершини до площини перерізу за умовою задачі дорівнює 1), маємо

 

Отже, .

 

Відповідь: 3.

 

Задача 2.3 В піраміді проведений переріз так, що точка лежить на ребрі точка на ребрі , точка на ребрі , точка на ребрі . Відомо, що , .

Знайти відношення обємів частин, на які площина поділяє піраміду.

 

Рис 2.5 До задачі 2.3

 

Розвязок.

З умови задачі безпосередньо випливає, що

 

(2.3.1)

(2.3.2)

Нехай , .

Згідно з теоремою Менелая маємо

 

 

Враховуючи (2.3.1) і (2.3.2) й прийняті вище позначення одержуємо

 

,

 

звідки (2.3.3)

 

Розділивши обидві частини останньої рівності з умови задачі на , одержуємо

 

або

(2.3.4)

 

З (2.3.3) і (2.3.4) складаємо систему

 

 

Розвязуємо цю систему:

 

і

 

Розбиваємо багатогранник на три трикутні піраміди: , .

Нехай площа трикутника , довжина висоти даної піраміди, проведена з вершини , обєм даної піраміди, довжина висоти піраміди , проведена з вершини . Тоді маємо

 

 

Нехай площа грані , довжина висоти даної піраміди, проведена з вершини на площину грані , довжина перпендикуляра, опущеного з точки на площину грані . Тоді маємо

 

Знайдемо обєм багатогранника :

 

 

Отже, .

 

Таким чином, шукане відношення дорівнює 17:18.

 

Відповідь: 17:18.

 

Задача 2.4 Задана піраміда , основа якої має форму опуклого чотирикутни-ка зі взаємно перпендикулярними діагоналями і . Основа перпендикуляра, опущеного