14494. Через середину высоты правильной четырёхугольной пирамиды проведено сечение плоскостью, перпендикулярной боковому ребру. Найдите площадь сечения, если боковое ребро равно
b
, а угол между противоположными боковыми рёбрами равен: а)
60^{\circ}
; б)
120^{\circ}
.
Ответ. а)
\frac{3b^{2}\sqrt{3}}{32}
; б)
\frac{41b^{2}}{96}
.
Решение. Пусть
PABCD
— правильная четырёхугольная пирамида с вершиной
P
, точка
E
— середина высоты
PH
,
PA=b
.
Пусть прямая, проведённая через точку
E
параллельно
BD
пересекает рёбра
PB
и
PC
в точках
L
и
N
соответственно. Тогда
LN
— средняя линия треугольника
BPD
, поэтому
NL\parallel BD
, а так как по теореме о трёх перпендикулярах
PC\perp BD
, то
NL\perp PC
. Следовательно, секущая плоскость проходит через прямую
NL
.
а) Пусть
\angle APC=60^{\circ}
. Тогда равнобедренный треугольник
APC
— равносторонний. Значит,
PE=\frac{1}{2}PH=\frac{b\sqrt{3}}{4}.

Опустим перпендикуляр
EK
на ребро
PC
и продолжим его до пересечения с прямой
PA
в точке
M
. Прямая
KM
параллельна высоте
AT
равностороннего треугольника
APC
. Если
F
— центр этого треугольника, то
PF=\frac{b\sqrt{3}}{3}
, поэтому коэффициент подобия прямоугольных треугольников
PKM
и
PTA
равен
k=\frac{PE}{PF}=\frac{\frac{b\sqrt{3}}{4}}{\frac{b\sqrt{3}}{3}}=\frac{3}{4}.

Значит, точка
M
лежит на ребре
PA
, а не на его продолжении, и
KM=kAT=\frac{3}{4}\cdot\frac{b\sqrt{3}}{2}=\frac{3b\sqrt{3}}{8}.

Таким образом, сечение, о котором говорится в условии, — четырёхугольник
KLMN
с перпендикулярными диагоналями
KM=\frac{3b\sqrt{3}}{8},~LN=\frac{1}{2}BD=\frac{1}{2}AC=\frac{1}{2}b.

Следовательно (см. задачу 3018),
S_{KLMN}=\frac{1}{2}KM\cdot LN=\frac{1}{2}\cdot\frac{3b\sqrt{3}}{8}\cdot\frac{1}{2}b=\frac{3b^{2}\sqrt{3}}{32}.

б) Пусть
\angle APC=120^{\circ}
. Тогда
APC
— равнобедренный треугольник с углом
30^{\circ}
при основании
AC
, причём
AC=b\sqrt{3},~PH=\frac{b}{2},~PE=EH=\frac{b}{4}.

Опустим перпендикуляр
EK
на ребро
PC
и продолжим его до пересечения с прямой
AC
в точке
M
. Тогда
EK=PE\cos\angle KPE=\frac{b}{4}\sin60^{\circ}=\frac{b\sqrt{3}}{8},~MH=EH\tg\angle MEH=\frac{b}{4}\cdot\frac{\sqrt{3}}{3}=\frac{b\sqrt{3}}{12},

ME=2MH=\frac{b\sqrt{3}}{6}.

Поскольку
MH\lt AH
, точка
M
лежит на отрезке
AH
. Секущая плоскость и плоскость основания пирамиды проходят через параллельные прямые
BD
и
KL
соответственно и имеют общую точку
M
. Значит, они пересекаются по прямой, параллельной
BD
. Пусть эта прямая пересекает рёбра
AB
и
AD
в точках
X
и
Y
соответственно. Тогда сечение, о котором говорится в условии, — пятиугольник
KLXYN
, состоящий из треугольника
KLN
с основанием
LN=\frac{1}{2}BD=\frac{a\sqrt{3}}{2}
и высотой
EK=\frac{b\sqrt{3}}{8}
, а также — из трапеции
XLNY
с основаниями
NL=\frac{b\sqrt{3}}{2},~XY=BD\cdot\frac{AM}{AH}=BD\cdot\frac{AH-MH}{AH}=b\sqrt{3}\cdot\frac{\frac{b\sqrt{3}}{2}-\frac{b\sqrt{3}}{12}}{\frac{b\sqrt{3}}{2}}=\frac{5}{6}b\sqrt{3}

и высотой
ME=\frac{b\sqrt{3}}{6}
. Следовательно,
S_{KLXYN}=S_{\triangle KLN}+S_{XLNY}=\frac{1}{2}NL\cdot EK+\frac{1}{2}(NL+XY)ME=

=\frac{1}{2}\cdot\frac{b\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{b\sqrt{3}}{8}+\frac{1}{2}\left(\frac{b\sqrt{3}}{2}+\frac{5}{6}b\sqrt{3}\right)\cdot\frac{b\sqrt{3}}{6}=\frac{3b^{2}}{8}\left(\frac{1}{4}+\frac{8}{9}\right)=\frac{41b^{2}}{96}.