14485. Стороны нижнего и верхнего оснований правильной треугольной усечённой пирамиды равны a
 и b
 (a\gt b
). Боковая грань составляет с плоскостью основания угол \alpha
. Найдите площадь сечения пирамиды плоскостью, проходящей через среднюю линию боковой грани и центр нижнего основания.
Ответ. \frac{(7a+3b)\sqrt{3(a^{2}+b^{2}+2ab\cos2\alpha)}}{144\cos\alpha}
.
Решение. Пусть ABC
 и A_{1}B_{1}C_{1}
 — соответственно нижнее и верхнее основание данной правильной усечённой пирамиды, AB=a
, A_{1}B_{1}=b
, a\gt b
; O
 — центр нижнего основания; D
 и D_{1}
 — середины рёбер BC
 и B_{1}C_{1}
 соответственно; K
 и L
 — середины рёбер BB_{1}
 и CC_{1}
 соответственно.
Плоскость основания ABC
 и плоскость сечения проходят через параллельные прямые BC
 и KL
 и имеют общую точку O
, значит, эти плоскости пересекаются по прямой, проходящей через точку O
 параллельно KL
 (см. задачу 8004). Пусть эта прямая пересекает рёбра AC
 и AB
 в точках M
 и N
 соответственно. Тогда KLMN
 — равнобедренная трапеция с основаниями
KL=\frac{BX+AD}{2}=\frac{a+b}{2},~MN=\frac{2}{3}BC=\frac{2}{3}a.
 Средняя линия l
 трапеции KLMN
 равна полусумме оснований, т. е.
l=\frac{KL+MN}{2}=\frac{\frac{a+b}{2}+\frac{2}{3}a}{2}=\frac{7a+3b}{12}.
 Осталось найти высоту h
 трапеции KLMN
.
Пусть E
 — точка пересечения KL
 и DD_{1}
. Тогда отрезок, соединяющий середины E
 и O
 оснований KL
 и MN
 трапеции, равен высоте трапеции, т. е. h=OE
.
Опустим перпендикуляр D_{1}F
 на высоту AD
 основания ABC
. Тогда
DF=OD-OF=\frac{a\sqrt{3}}{6}-\frac{b\sqrt{3}}{6}=\frac{(a-b)\sqrt{3}}{6},
 а так как D_{1}DF
 — линейный угол двугранного угла при ребре BC
 данной пирамиды, то \angle D_{1}DF=\alpha
. Из прямоугольного треугольника DFD_{1}
 находим, что
DD_{1}=\frac{DF}{\cos\angle D_{1}DF}=\frac{\sqrt{3}(a-b)}{6\cos\alpha}.
По теореме Фалеса точка E
 — середина отрезка DD_{1}
, поэтому
DE=\frac{1}{2}DD_{1}=\frac{\sqrt{3}(a-b)}{12\cos\alpha}.
 По теореме косинусов и треугольника EDO
 находим, что
h=OE=\sqrt{DO^{2}+DE^{2}-2DO\cdot DE\cos\alpha}=
=\sqrt{\left(\frac{a\sqrt{3}}{6}\right)^{2}+\left(\frac{\sqrt{3}(a-b)}{12\cos\alpha}\right)^{2}-2\cdot\frac{a\sqrt{3}}{6}\cdot\frac{\sqrt{3}(a-b)}{12\cos\alpha}\cdot\cos\alpha}=
=\sqrt{\frac{a^{2}}{12}+\frac{(a-b)^{2}}{48\cos^{2}\alpha}-\frac{a(a-b)}{12}}=\sqrt{\frac{(a-b)^{2}}{48\cos^{2}\alpha}+\frac{ab}{12}}=
=\frac{\sqrt{(a-b)^{2}+4ab\cos^{2}\alpha}}{4\sqrt{3}\cos\alpha}=\frac{\sqrt{a^{2}-2ab+b^{2}+2ab(1+\cos2\alpha)}}{4\sqrt{3}\cos\alpha}=
=\frac{\sqrt{a^{2}-2ab+b^{2}+2ab+ab\cos2\alpha}}{4\sqrt{3}\cos\alpha}=\frac{\sqrt{a^{2}+b^{2}+ab\cos2\alpha}}{4\sqrt{3}\cos\alpha}.
 Следовательно,
S_{KLMN}=lh=\frac{7a+3b}{12}\cdot\frac{\sqrt{a^{2}+b^{2}+ab\cos2\alpha}}{4\sqrt{3}\cos\alpha}=
=\frac{(7a+3b)\sqrt{3(a^{2}+b^{2}+2ab\cos2\alpha)}}{144\cos\alpha}.
Источник: Сборник задач по математике для поступающих во втузы / Под ред. М. И. Сканави. — 5-е изд. — М.: Высшая школа, 1988. — № 12.458, с. 247