7095. Сторона основания правильной треугольной пирамиды равна
a
, угол апофемы с соседней боковой гранью равен
45^{\circ}
. Найдите радиусы вписанной и описанной сфер.
Ответ.
R=\frac{3a\sqrt{6}}{8}
или
R=\frac{a\sqrt{6}}{4}
,
r=\frac{a(3-\sqrt{6})}{6}
или
r=\frac{a\sqrt{6}(\sqrt{3}-1)}{12}
.
Указание. Пусть
ABCP
— данная правильная треугольная пирамида с вершиной
P
. Расстояние от середины
L
ребра
BC
до плоскости
APC
вдвое меньше расстояния от вершины
B
до этой плоскости.
Решение. Пусть
ABCP
— данная правильная треугольная пирамида с вершиной
P
(рис. 1);
AB=BC=AC=a
;
M
— центр треугольника
ABC
;
K
,
L
и
N
— середины отрезков
AB
,
BC
и
AC
соответственно. Пусть
D
— ортогональная проекция точки
L
на плоскость грани
APC
. По условию задачи
\angle LPD=45^{\circ}
. Обозначим
PD=x
. Тогда из прямоугольного треугольника
LPD
находим, что
PL=x\sqrt{2}
.
Поскольку
L
— середина наклонной
BC
к плоскости грани
APC
, расстояние
LD
вдвое меньше расстояния от точки
B
до этой плоскости. Пусть
BG
— высота треугольника
PBN
. Тогда
BG
перпендикулярно плоскости грани
APC
, поэтому
BG=2LD=2x
.
Из прямоугольного треугольника
PMN
находим, что
PM=\sqrt{PN^{2}-MN^{2}}=\sqrt{(x\sqrt{2})^{2}-\left(\frac{a\sqrt{3}}{6}\right)^{2}}=\sqrt{2x^{2}-\frac{a^{2}}{12}}.

Поскольку
BN\cdot PM=PN\cdot BG
, имеем уравнение
\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\sqrt{2x^{2}-\frac{a^{2}}{12}}=x\sqrt{2}\cdot2x.

После возведения в квадрат и очевидных упрощений получим уравнение
128x^{4}-24a^{2}x^{2}+a^{4}=0,

откуда находим, что
x=\frac{a}{4}
или
x=\frac{a\sqrt{2}}{4}
.
Рассмотрим случай
x=\frac{a}{4}
. Пусть
\alpha
и
\beta
— углы соответственно бокового ребра и боковой грани данной пирамиды с плоскостью её основания. Тогда
\cos\beta=\cos\angle PLM=\frac{ML}{PL}=\frac{\frac{a\sqrt{3}}{6}}{\frac{a\sqrt{2}}{4}}=\frac{\sqrt{6}}{3},~\sin\beta=\frac{\sqrt{3}}{3},~\tg\beta=\frac{\sqrt{2}}{2},

PM=ML\tg\beta=\frac{a\sqrt{3}}{6}\cdot\frac{\sqrt{2}}{2}=\frac{a\sqrt{6}}{12},

\tg\alpha=\frac{PM}{MA}=\frac{\frac{a\sqrt{6}}{12}}{\frac{a\sqrt{3}}{3}}=\frac{\sqrt{2}}{4},~\cos\alpha=\frac{2\sqrt{2}}{3},~\sin\alpha=\frac{1}{3},

AP=\frac{AM}{\cos\alpha}=\frac{\frac{a\sqrt{3}}{3}}{\frac{2\sqrt{2}}{3}}=\frac{a\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}.

Рассмотрим сечение данной пирамиды плоскостью, проходящей через точки
P
,
A
и
M
(рис. 2). В этой плоскости расположен центр описанной сферы, поэтому секущая плоскость пересекает сферу по окружности, радиус которой равен радиусу
R
описанной сферы. Продолжим отрезок
AL
за точку
L
до пересечения с этой окружностью в точке
A_{1}
. Тогда равнобедренный треугольник
APA_{1}
вписан в окружность радиуса
R
. По известной формуле для радиуса описанной окружности треугольника (теорема синусов) находим, что
R=\frac{PA_{1}}{2\sin\angle PAM}=\frac{PA}{2\sin\alpha}=\frac{\frac{a\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}}{\frac{1}{3}}=\frac{3a\sqrt{6}}{8}.

Центр
O
сферы радиуса
r
, вписанной в данную правильную пирамиду расположен на высоте
PM
, а сфера касается грани
BPC
в точке, лежащей на апофеме
PL
. Рассмотрим сечение пирамиды плоскостью
APL
(рис. 3). Эта плоскость пересекает сферу по окружности радиуса
r
, вписанной в угол
ALP
, причём
OM=r
и
r=OM=LM\tg\angle OLM=\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
\frac{2\tg\frac{\beta}{2}}{1-\tg^{2}\frac{\beta}{2}}=\frac{\sqrt{2}}{2}.

Условию задачи удовлетворяет положительный корень этого уравнения
\tg\frac{\beta}{2}=\sqrt{3}-\sqrt{2}.

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

Аналогично для
x=\frac{a\sqrt{2}}{4}
.