7238. Две плоскости, параллельные противоположным рёбрам
AB
и
CD
тетраэдра
ABCD
, делят ребро
BC
на три равные части. Какая часть объёма тетраэдра заключена между этими плоскостями?
Ответ.
\frac{13}{27}
.
Решение. Первый способ. Пусть точки
M
и
N
лежат на ребре
BC
, причём
BN=NM=MC
. Плоскость, проходящая через точку
M
параллельно прямым
AB
и
CD
, пересекает плоскости граней
ABC
и
ADC
по прямым, параллельным
AB
, а плоскости граней
BDC
и
ADC
— по прямым, параллельным
CD
. Значит, сечение тетраэдра этой плоскостью — параллелограмм
MPQR
(точки
P
,
Q
и
R
лежат на рёбрах
BD
,
AD
и
AC
соответственно).
Пусть объём пирамиды
ABCD
равен
V
, площадь основания
ABC
равна
S
, а высота равна
h
. Тогда
V=\frac{1}{3}Sh
.
Рассмотрим многогранник, состоящий из треугольной призмы с основаниями
CMR
,
LPQ
и боковыми рёбрами
MP=RQ=CL
и треугольной пирамиды
DLPQ
с вершиной
D
. Площадь основания призмы равна
\frac{1}{9}S
, высота равна
\frac{2}{3}h
. Площадь основания пирамиды также равна
\frac{1}{9}S
, а высота равна
\frac{1}{3}h
. Значит, объём рассматриваемого многогранника равен
\frac{1}{9}\cdot\frac{2}{3}h+\frac{1}{3}\cdot\frac{1}{9}S\cdot\frac{1}{3}h=\frac{1}{3}\left(\frac{2}{9}Sh+\frac{1}{27}Sh\right)=\frac{7}{27}\cdot\frac{1}{3}Sh=\frac{7}{27}V.

Теперь заметим, что объём многогранника, отсечённого от данного тетраэдра второй указанной в условии плоскостью, также равен
\frac{7}{27}V
. Следовательно, между плоскостями заключён многогранник, объём которого равен
V-2\cdot\frac{7}{27}V=\frac{13}{27}V
.
Второй способ. Обозначим
AB=a
,
CD=b
, угол и расстояние между скрещивающимися прямыми
AB
и
CD
\alpha
и
d
соответственно. Пусть точки
M
и
N
лежат на ребре
BC
, причём
BN=NM=MC
. Плоскость, проходящая через точку
M
параллельно прямым
AB
и
CD
, пересекает плоскости граней
ABC
и
ADC
по прямым, параллельным
AB
, а плоскости граней
BDC
и
ADC
— по прямым, параллельным
CD
. Значит, сечение тетраэдра этой плоскостью — параллелограмм
MPQR
(точки
P
,
Q
и
R
лежат на рёбрах
BD
,
AD
и
AC
соответственно), причём
PQ=MR=\frac{1}{3}AB=\frac{1}{3}a,~PM=QR=\frac{2}{3}CD=\frac{2}{3}b.

Рассмотрим треугольную призму с основаниями
CMR
,
DEF
и боковыми рёбрами
ME=RF=CD=b
.
Расстояние между боковым ребром
CD
полученной призмы до противоположной боковой грани
MEFR
равно трети расстояния между прямыми
AB
и
CD
, т. е.
\frac{1}{3}d
. Значит, её объём равен
\frac{1}{2}S_{MEFR}\cdot\frac{1}{3}h=\frac{1}{2}b\cdot\frac{1}{3}a\sin\alpha\cdot\frac{1}{3}d=\frac{1}{6}abd\sin\alpha\cdot\frac{1}{3}=\frac{1}{3}V,

где
V
— объём данного тетраэдра.
Объём
V_{1}
многогранника с вершинами
C
,
M
,
R
,
L
,
P
,
Q
,
E
равен разности объёма
V_{2}
рассмотренной призмы и объёма
V_{3}
четырёхугольной пирамиды с вершиной
D
и основанием
PEFQ
, а так как
V_{2}=\frac{1}{3}S_{PEFQ}\cdot\frac{d}{3}=\frac{1}{3}\cdot\frac{1}{3}b\cdot\frac{1}{3}a\sin\alpha\cdot\frac{d}{3}=\frac{2}{27}\frac{1}{6}abd\sin\alpha=\frac{2}{27}V,

то
V_{1}=\frac{1}{3}V-\frac{2}{27}V=\frac{7}{27}V.

Теперь заметим, что объём многогранника, отсечённого от данного тетраэдра второй указанной в условии плоскостью, также равен
\frac{7}{27}V
. Следовательно, между плоскостями заключён многогранник, объём которого равен
V-2\cdot\frac{7}{27}V=\frac{13}{27}V
.
Третий способ. Пусть искомый объём равен
v
. По формуле Симпсона (см. задачу 9628)
v=\frac{d}{18}\left(\frac{2}{3}a\cdot\frac{1}{3}b\sin\alpha+\frac{1}{3}a\cdot\frac{2}{3}b\sin\alpha+4\cdot\frac{1}{2}a\cdot\frac{1}{2}b\sin\alpha\right)=

=\frac{1}{18}abd\sin\alpha\left(\frac{2}{9}+\frac{2}{9}+1\right)=\frac{13}{162}abd\sin\alpha=\frac{13}{27}\cdot\frac{1}{6}abd\sin\alpha=\frac{13}{27}V.

Четвёртый способ. Обозначим
AB=a
,
CD=b
, угол и расстояние между скрещивающимися прямыми
AB
и
CD
\alpha
и
d
соответственно. Пусть точки
M
и
N
лежат на ребре
BC
, причём
BN=NM=MC
. Плоскость, проходящая через точку
M
параллельно прямым
AB
и
CD
, пересекает плоскости граней
ABC
и
ADC
по прямым, параллельным
AB
, а плоскости граней
BDC
и
ADC
— по прямым, параллельным
CD
. Значит, сечение тетраэдра этой плоскостью — параллелограмм
MPQR
(точки
P
,
Q
и
R
лежат на рёбрах
BD
,
AD
и
AC
соответственно), причём
PQ=MR=\frac{1}{3}AB=\frac{1}{3}a,~PM=QR=\frac{2}{3}CD=\frac{2}{3}b.

Пусть
V
— объём тетраэдра
ABCD
, а
V_{1}
— объём многогранника
CMRDPQ
(клина). Площадь
S'
сечения, перпендикулярного его параллельным рёбрам
CD
,
MP
и
RQ
, равна половине произведения расстояния между прямыми
MP
и
RQ
(т. е. высоте параллелограмма
MPQR
, равной
\frac{1}{3}a\sin\alpha
) на
\frac{1}{3}d
. Тогда (см. задачу 14318)
V_{1}=\frac{1}{3}S'\cdot(CD+MP+RQ)=\frac{1}{3}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{3}a\sin\alpha\cdot\frac{1}{3}d\cdot\left(b+\frac{2}{3}b+\frac{2}{3}b\right)=

=\frac{1}{6}abd\sin\alpha\cdot\frac{7}{27}=\frac{7}{27}V.

Теперь заметим, что объём многогранника, отсечённого от данного тетраэдра второй указанной в условии плоскостью, также равен
\frac{7}{27}V
. Следовательно, между плоскостями заключён многогранник, объём которого равен
V-2\cdot\frac{7}{27}V=\frac{13}{27}V
.