7017. Сторона основания правильной четырёхугольной пирамиды равна
a
. Боковая грань образует с плоскостью основания угол
45^{\circ}
. Найдите радиус сферы, описанной около пирамиды.
Ответ.
\frac{3a}{4}
.
Решение. Первый способ. Пусть
ABCDP
— данная правильная четырёхугольная пирамида с вершиной
P
,
AB=BC=CD=AD=a
,
M
— центр квадрата
ABCD
,
K
— середина отрезка
AB
.
Поскольку
PK\perp AB
и
MK\perp AB
, угол
PKM
— линейный угол двугранного угла между плоскостью боковой грани
ABP
и плоскостью основания пирамиды. По условию
\angle PKM=45^{\circ}
.
Поскольку пирамида правильная, её высота проходит через центр основания, значит,
PM
— высота пирамиды. Из равнобедренного прямоугольного треугольника
PKM
находим, что
PM=MK=\frac{a}{2}
.
Пусть
\alpha
— угол бокового ребра с плоскостью основания пирамиды. Из прямоугольного треугольника
AMP
находим, что
\tg\alpha=\tg\angle MAP=\frac{PM}{AM}=\frac{\frac{a}{2}}{\frac{\sqrt{2}}{2}}=\frac{\sqrt{2}}{2}.

Тогда
\cos\alpha=\frac{1}{\sqrt{1+\tg^{2}\alpha}}=\sqrt{\frac{2}{3}},~\sin\alpha=\frac{1}{\sqrt{3}}.

Поскольку центр описанной сферы равноудалён от вершин основания
ABCD
, он лежит на прямой
PM
. Рассмотрим сечение пирамиды
ABCDP
плоскостью, проходящей через точки
A
,
P
и
C
. Получим треугольник
APC
, около которого описана окружность с центром, лежащим на высоте
PM
, причём радиус
R
этой окружности равен радиусу сферы, описанной около пирамиды
ABCDP
, а так как
PC=PA=\frac{AM}{\cos\alpha}
, то
R=\frac{PC}{2\sin\angle PAC}=\frac{\frac{AM}{\cos\alpha}}{2\sin\alpha}=\frac{\frac{a\sqrt{2}}{2}}{2\sin\alpha\cos\alpha}=\frac{\frac{a\sqrt{2}}{2}}{2\cdot\frac{1}{\sqrt{3}}\cdot\sqrt{\frac{2}{3}}}=\frac{3a}{4}.

Второй способ. Пусть
ABCDP
— данная правильная четырёхугольная пирамида с вершиной
P
,
AB=BC=CD=AD=a
,
M
— центр квадрата
ABCD
,
K
— середина отрезка
AB
.
Поскольку
PK\perp AB
и
MK\perp AB
, угол
PKM
— линейный угол двугранного угла между плоскостью боковой грани
ABP
и плоскостью основания пирамиды. По условию
\angle PKM=45^{\circ}
.
Поскольку пирамида правильная, её высота проходит через центр основания, значит,
PM
— высота пирамиды. Из равнобедренного прямоугольного треугольника
PKM
находим, что
PM=MK=\frac{a}{2}
.
Пусть прямая
PM
вторично пересекает описанную сферу в точке
Q
. Рассмотрим сечение сферы плоскостью, проходящей через точки
A
,
P
и
Q
. Получим окружность радиуса
R
(радиус сферы), с центром на отрезке
PQ
. Поскольку
PQ
— диаметр окружности, треугольник
APQ
— прямоугольный, а
AM
— его высота, проведённая из вершины прямого угла. Поэтому
AM^{2}=PM\cdot MQ=PM(2R-PM),

или
\frac{a^{2}}{2}=\frac{a}{2}\cdot\left(2R-\frac{a}{2}\right),

откуда находим, что
R=\frac{3a}{4}
.