7415. Ребро куба
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
равно
a
. Точки
M
и
N
лежат на отрезках
BD
и
CC_{1}
соответственно. Прямая
MN
образует угол
45^{\circ}
с плоскостью
ABCD
и угол
30^{\circ}
с плоскостью
BB_{1}C_{1}C
. Найдите:
а) отрезок
MN
;
б) радиус шара с центром на отрезке
MN
, касающегося плоскостей
ABCD
и
BB_{1}C_{1}C
.
Ответ. а)
a
; б)
\frac{a(2-\sqrt{2})}{2}
.
Решение. Пусть
K
— ортогональная проекция точки
M
на ребро
BC
куба
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
. Обозначим
MK=x
. Из прямоугольных треугольников
MKN
,
MCN
и
MKC
находим, что
MN=2MK=2x,~CM=CN=x\sqrt{2},~CK=MK=x.

Поэтому
\angle MCK=45^{\circ}
. Значит,
M
— точка пересечения диагоналей квадрата
ABCD
. Тогда
x=MK=\frac{a}{2}
. Следовательно,
MN=2x=a
.
Пусть
P
и
Q
— точки касания шара с плоскостями
ABCD
и
BB_{1}C_{1}C
соответственно,
F
— ортогональная проекция точки
P
на ребро
BC
,
r
— радиус шара. Тогда
PF=OQ=r,~CP=PF\sqrt{2}=r\sqrt{2},~PM=CM-CP=\frac{a\sqrt{2}}{2}-r\sqrt{2},

а так как
\angle OPM=45^{\circ}
, то
OP=PM
, или
r=\frac{a\sqrt{2}}{2}-r\sqrt{2}
, откуда находим, что
r=\frac{a(2-\sqrt{2})}{2}
.