7008. Сторона основания правильной треугольной пирамиды равна
a
. Боковое ребро образует с плоскостью основания угол
60^{\circ}
. Найдите радиус сферы, вписанной в пирамиду.
Ответ.
\frac{a(\sqrt{13}-1)}{12}
.
Решение. Пусть
ABCP
— данная правильная треугольная пирамида с вершиной
P
,
AB=BC=AC=a
,
M
— центр равностороннего треугольника
ABC
,
L
— середина
BC
,
\angle PAM=\angle PBM=\angle PCM=60^{\circ}
. Поскольку пирамида правильная,
PM
— её высота.
Из прямоугольного треугольника
PAM
находим, что
PM=AM\tg\angle PAM=\frac{2}{3}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\tg60^{\circ}=\frac{a\sqrt{3}}{3}\cdot\sqrt{3}=a.

Поскольку
PL\perp BC
и
ML\perp BC
, угол
PLM
— линейный угол двугранного угла между плоскостью боковой грани
BCP
и плоскостью основания
ABC
. Из прямоугольного треугольника
PLM
находим, что
\tg\beta=\tg\angle PLM=\frac{PM}{ML}=\frac{a}{\frac{a}{2\sqrt{3}}}=2\sqrt{3}.

Центр
O
сферы, вписанной в правильную пирамиду
ABCP
лежит на её высоте
PM
, а так как эта сфера вписана в двугранный угол между плоскостями граней
BCP
и
ABC
, то точка
O
лежит в биссекторной плоскости этого угла.
Рассмотрим сечение пирамиды плоскостью
APL
. Получим треугольник
APL
и окружность, касающуюся двух его сторон
LP
и
LA
, причём стороны
KC
— в точке
M
. Радиус
r
этой окружности равен радиусу сферы, вписанной в пирамиду, центр
O
лежит на высоте
PM
, а
\angle OLM=\frac{\beta}{2}
. Из прямоугольного треугольника
OML
находим, что
r=OM=LM\tg\frac{\beta}{2}=\frac{a\sqrt{3}}{6}\cdot\tg\frac{\beta}{2}.

Поскольку
\tg\beta=\frac{2\tg\frac{\beta}{2}}{1-\tg^{2}\frac{\beta}{2}}
, имеем уравнение
2\sqrt{3}=\frac{2\tg\frac{\beta}{2}}{1-\tg^{2}\frac{\beta}{2}},

из которого находим, что
\tg\frac{\beta}{2}=\frac{\sqrt{13}-1}{2\sqrt{3}}.

Следовательно,
r=\frac{a\sqrt{3}}{6}\cdot\tg\frac{\beta}{2}=\frac{a\sqrt{3}}{6}\cdot\frac{\sqrt{13}-1}{2\sqrt{3}}=\frac{a(\sqrt{13}-1)}{12}.