7226. Через середину диагонали куба проведена плоскость, перпендикулярная этой диагонали. Найдите площадь полученного сечения, если ребро куба равно
a
.
Ответ.
\frac{3a^{2}\sqrt{3}}{4}
.
Указание. Докажите, что в сечении получится правильный шестиугольник со стороной
\frac{a\sqrt{2}}{2}
.
Решение. Через середину
O
диагонали
DB_{1}
куба
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
проведём плоскость, перпендикулярную
DB_{1}
. Рассмотрим прямую пересечения этой плоскости с плоскостью диагонального сечения
BB_{1}D_{1}D
. Пусть прямая пересечения пересекает сторону
BD
прямоугольника
BB_{1}D_{1}D
в точке
P
, а сторону
B_{1}D_{2}
— в точке
Q
. Тогда
PQ\perp DB_{1}
. Из подобия прямоугольных треугольников
DOP
и
DBB_{1}
находим, что
\frac{PD}{DO}=\frac{DB_{1}}{BD}
, откуда
PD=DO\cdot\frac{DB_{1}}{BD}=\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{a\sqrt{2}}=\frac{3a\sqrt{2}}{4},

значит, точка
P
делит диагональ
BD
квадрата
ABCD
в отношении
\frac{BP}{PD}=\frac{1}{3}
. Если
L
— центр квадрата
ABCD
, то
BP=\frac{1}{4}BD=\frac{1}{4}\cdot2BL=\frac{1}{2}BL,

т. е.
P
— середина
BL
.
Секущая плоскость пересекается с плоскостью
ABCD
по прямой, проходящей через точку
P
. Пусть
F
и
M
— точки пересечения этой прямой с
AB
и
BC
. Тогда
FM\perp DB_{1}
, так как прямая
FM
лежит в плоскости, перпендикулярной
DB_{1}
. Прямая
BD
— ортогональная проекция
DB_{1}
на плоскость
ABCD
, поэтому по теореме о трёх перпендикулярах
FM\perp BD
, а так как
AC\perp BD
, то
FM\parallel AC
. Кроме того, прямая
FM
проходит через середину
P
отрезка
BL
, значит,
FM
— средняя линия треугольника
ABC
. Следовательно,
FM=\frac{1}{2}AC=\frac{a\sqrt{2}}{2}
.
Аналогично, секущая плоскость пересекает остальные грани куба
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
по средним линиям соответствующих треугольников. Значит, сечение куба данной плоскостью — шестиугольник, все стороны которого равны
\frac{a\sqrt{2}}{2}
. Все углы этого шестиугольника равны по
120^{\circ}
, так как его стороны соответственно параллельны диагоналям граней куба. Площадь такого шестиугольника в шесть раз больше площади равностороннего треугольника со сторонами, равными
\frac{a\sqrt{2}}{2}
, т. е. равна
6\cdot\frac{1}{4}\cdot\left(\frac{a\sqrt{2}}{2}\right)^{2}\cdot\sqrt{3}=\frac{3a^{2}\sqrt{3}}{4}.