9806. Основание пирамиды — ромб с диагоналями 6 и 8. Высота пирамиды проходит через точку пересечения диагоналей основания и равна 1. В каждый из трёхгранных углов при основании пирамиды вписано по равному шару так, что каждый из шаров касается двух соседних. Найдите радиусы шаров.
Ответ.
\frac{60}{149}
,
\frac{60}{101}
.
Решение. Пусть
SABCD
— данная пирамида с вершиной
S
,
O_{1}
и
O_{2}
— центры двух шаров искомого радиуса
r
, вписанных в трёхгранные углы с вершинами
A
и
B
пирамиды. Поскольку шары касаются,
O_{1}O_{2}=2r
. Эти шары вписаны в двугранный угол пирамиды при ребре
AB
, значит, их центры лежат в биссекторной плоскости этого двугранного угла.
Пусть этот угол равен
\alpha
. Опустим перпендикуляр
HK
из основания
H
высоты пирамиды на ребро
AB
. По теореме о трёх перпендикулярах
SH\perp AB
, поэтому
\angle SKH=\alpha
— линейный угол двугранного угла при ребре
AB
. Из прямоугольного треугольника
AHB
находим, что
HK=\frac{HA\cdot HB}{AB}=\frac{4\cdot3}{5}=\frac{12}{5},

Значит,
\tg\alpha=\frac{SH}{HK}=\frac{1}{\frac{12}{5}}=\frac{5}{12},~\cos\alpha=\frac{12}{13},~\sin\alpha=\frac{5}{13}.

Тогда
\tg\frac{\alpha}{2}=\frac{1-\cos\alpha}{\sin\alpha}=\frac{1-\frac{12}{13}}{\frac{5}{13}}=\frac{1}{5}.

Пусть
M
и
N
— точки касания шаров с центрами соответственно
O_{1}
и
O_{1}
с плоскостью основания пирамиды. Тогда эти точки лежат на биссектрисах
AC
и
BD
ромба
ABCD
. Рассмотрим случай, когда точки
M
и
N
лежат на отрезках
AH
и
BH
. Линия центров касающихся шаров проходит через их точку касания, поэтому
O_{1}O_{2}=2r
, а так как шары равны, то
MN=O_{1}O_{2}
и
MN\parallel O_{1}O_{2}
.
Пусть
P
и
Q
— проекции точек соответственно
M
и
N
на прямую
AB
. По теореме о трёх перпендикулярах
MP\parallel AB
и
NQ\parallel AB
, значит,
\angle O_{1}PM=\angle O_{2}QN=\frac{\alpha}{2}
. Тогда
PM=QM=r\ctg\frac{\alpha}{2}=5r,

и
MN\parallel AB
.
Обозначим
\angle ABH=\beta
. Пусть
BH=3
и
AH=4
. Тогда
AB=5
,
\cos\beta=\frac{3}{5}
,
\sin\beta=\frac{4}{5}
. Из прямоугольных треугольников
BQN
и
MHN
получаем, что
BN=\frac{NQ}{\sin\beta}=\frac{5r}{\frac{4}{5}}=\frac{25r}{4},~HN=MN\cos\beta=2x\cdot\frac{3}{5}=\frac{6x}{5},

а так как
BN+HN=BH
, то
\frac{25r}{4}+\frac{6r}{5}=3,

откуда
r=\frac{60}{149}
.
Пусть теперь точки
M
и
N
лежат на продолжениях отрезков
AH
и
BH
за точку
H
. Тогда аналогично
BN-HN=BH
, или
\frac{25r}{4}-\frac{6r}{5}=3,

откуда
r=\frac{60}{101}
.