7076. Сторона основания правильной четырёхугольной пирамиды равна
a
, боковая грань образует с плоскостью основания угол
60^{\circ}
. Найдите радиус описанной сферы.
Ответ.
R=\frac{5a}{4\sqrt{3}}
.
Решение. Первый способ. Пусть
M
— центр основания
ABCD
правильной четырёхугольной пирамиды
ABCDP
,
K
— середина
AB
. Пусть боковое ребро данной пирамиды образует с плоскостью основания угол
\alpha
. Рассмотрим сечение пирамиды плоскостью
APC
. Поскольку центр сферы радиуса
R
, описанной около пирамиды, расположен на её высоте
PM
, эта плоскость пересекает сферу по окружности радиуса
R
, описанной около равнобедренного треугольника
APC
. Поэтому
R=\frac{AP}{2\sin\angle PCA}=\frac{AP}{2\sin\alpha}.

Из прямоугольного треугольника
PMC
находим, что
\tg\alpha=\tg\angle PCM=\frac{PM}{MC}=\frac{MK\tg60^{\circ}}{MC}=\frac{\frac{a}{2}\cdot\sqrt{3}}{\frac{a}{\sqrt{2}}}=\frac{\sqrt{6}}{2}.

Тогда
\cos\alpha=\sqrt{\frac{2}{5}},~\sin\alpha=\sqrt{\frac{3}{5}},

AP=PC=\frac{MC}{\cos\alpha}=\frac{\frac{a}{\sqrt{2}}}{\sqrt{\frac{2}{5}}}=\frac{a\sqrt{5}}{2}.

Следовательно,
R=\frac{AP}{2\sin\alpha}=\frac{\frac{a\sqrt{5}}{2}}{2\sqrt{\frac{3}{5}}}=\frac{5a}{4\sqrt{3}}.

Второй способ. Пусть
M
— центр основания
ABCD
правильной четырёхугольной пирамиды
ABCDP
,
K
— середина стороны
AD
. Тогда
PM
— высота пирамиды,
PM=MK\tg60^{\circ}=\frac{a}{2}\cdot\sqrt{3}=\frac{a\sqrt{3}}{2}.

Поскольку пирамида правильная, центр её описанной сферы лежит на прямой
PM
. Пусть эта прямая вторично пересекает описанную сферу в точке
Q
. Рассмотрим сечение пирамиды плоскостью, проходящей через точки
P
,
Q
и
A
. Эта плоскость пересекает сферу по окружности, радиус
R
которой равен радиусу сферы.
Поскольку
PQ
— диаметр этой окружности,
\angle PAQ=90^{\circ}
. Тогда
AM
— высота прямоугольного треугольника
PAQ
, проведённая из вершины прямого угла. Поэтому
AM^{2}=PM\cdot MQ
, или
\left(\frac{a}{\sqrt{2}}\right)^{2}=\frac{a\sqrt{3}}{2}\left(2R-\frac{a\sqrt{3}}{2}\right),

откуда находим, что
R=\frac{5a}{4\sqrt{3}}
.