9339. Основание
ABC
пирамиды
SABC
— равносторонний треугольник. Высота пирамиды проходит через точку
A
и равна стороне основания. Найдите двугранные углы при всех шести рёбрах пирамиды.
Ответ. Двугранные углы при рёбрах
SA
и
BC
равны
60^{\circ}
и
\arctg\frac{2}{\sqrt{3}}
;
двугранные углы при рёбрах
AB
и
AC
равны
90^{\circ}
;
двугранные углы при рёбрах
SB
и
SC
равны
\arccos\frac{1}{\sqrt{7}}
.
Решение. Заметим, что пирамида симметрична относительно плоскости, проходящей через её высоту
SA
и середину
M
ребра
BC
. Значит, равны двугранные углы при рёбрах
AB
и
AC
, а также при рёбрах
SB
и
SC
.
Поскольку линейный угол двугранного угла при ребре
SA
— это угол
BAC
, то этот двугранный угол равен
60^{\circ}
.
Плоскость
ASB
проходит через прямую
SA
, перпендикулярную плоскости
ABC
, поэтому эти плоскости перпендикулярны (см. задачу 7710). Следовательно, двугранный угол пирамиды при ребре
AB
, а значит, и при ребре
AC
, равен
90^{\circ}
.
Обозначим
SA=AB=a
. Линейный угол двугранного угла при ребре
BC
— это угол
SMA
. Из прямоугольного треугольника
SAM
находим, что
\tg\angle SAM=\frac{SA}{AM}=\frac{a}{\frac{a\sqrt{3}}{2}}=\frac{2}{\sqrt{3}}.

Следовательно, двугранный угол при ребре
BC
пирамиды равен
\arctg\frac{2}{\sqrt{3}}
.
Пусть
Q
— центр равностороннего треугольника
ABC
, а
QP
— перпендикуляр к
SM
. Тогда
QP
— перпендикуляр к плоскости
BSC
. Пусть
CK
— высота треугольника
ABC
. Тогда
CK
— перпендикуляр к плоскости
ASB
. Значит, угол между плоскостями
BSC
и
ASB
равен углу между прямыми
QP
и
CK
, перпендикулярными эти плоскостям, т. е. острому углу
CQP
прямоугольного треугольника
CPQ
с прямым углом при вершине
P
.
Из прямоугольного треугольника
SAM
находим, что
CM=\sqrt{SA^{2}+AM^{2}}=\sqrt{a^{2}+\frac{3}{4}a^{2}}=\frac{a\sqrt{7}}{2}.

Пусть
AH
— высота этого треугольника. Тогда (см. задачу 1967)
AH=\frac{SA\cdot AM}{SM}=\frac{a\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}}{\frac{a\sqrt{7}}{2}}=\frac{a\sqrt{3}}{\sqrt{7}}.

Прямоугольные треугольники
QMP
и
AMH
подобны с коэффициентом
\frac{QM}{AM}=\frac{1}{3}
, поэтому
PQ=\frac{1}{3}AH=\frac{1}{3}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{\sqrt{7}}=\frac{a}{\sqrt{21}}.

Из прямоугольного треугольника
CPQ
находим, что
\cos\angle CQP=\frac{PQ}{CQ}=\frac{\frac{a}{\sqrt{21}}}{\frac{a\sqrt{3}}{3}}=\frac{1}{\sqrt{7}}.

Следовательно, двугранный угол пирамиды при ребре
SB
, а значит, и при ребре
SC
, равен
\arccos\frac{1}{\sqrt{7}}
.