7448. В сферу радиуса
R
вписана правильная четырёхугольная пирамида. Каков наибольший возможный объём этой пирамиды?
Ответ.
\frac{64}{81}R^{3}
.
Решение. Пусть правильная четырёхугольная пирамида
PABCD
(рис. 1) вписана в сферу с центром
O
и радиусом
R
. Обозначим через
a
и
h
соответственно сторону основания
ABCD
и высоту пирамиды и проведём сечение через точки
P
,
A
и
C
(рис. 2). Поскольку точка
O
принадлежит плоскости сечения, получим равнобедренный треугольник с основанием
a\sqrt{2}
, вписанный в окружности радиуса
R
.
Пусть продолжение радиуса
PO
пересекает отрезок
AC
в точке
M
, а окружность — в точке
K
. Тогда
M
— середина
AC
, а
CM
— высота прямоугольного треугольника
PCK
, проведённая из вершины прямого угла. Поэтому
CM^{2}=PM\cdot MK,~\mbox{или}~\frac{1}{2}a^{2}=h(2R-h),

откуда
a^{2}=2h(2R-h)
.
Обозначим через
V(h)
— объём пирамиды
PABCD
. Тогда
V(h)=\frac{1}{3}S_{ABCD}\cdot PM=\frac{1}{3}a^{2}h=\frac{1}{3}\cdot2h^{2}(2R-h)=\frac{2}{3}h^{2}(2R-h).

Таким образом, задача сводится к нахождению наибольшего значения функции
V(h)=\frac{2}{3}h^{2}(2R-h)
на интервале
(0;2R)
.
Первый способ. Решив уравнение
V'(h)=0
, найдём критические точки функции
V(h)
. Рассмотрим только те из них, которые принадлежат промежутку
(0;2R)
.
V'(h)=\frac{2}{3}(h^{2}(2R-h))'=\frac{2}{3}(2Rh^{2}-h^{3})'=\frac{2}{3}(4Rh-3h^{2})=\frac{2}{3}h(4R-3h)=0.

Промежутку
(0;2R)
принадлежит единственный корень этого уравнения
h=\frac{4}{3}R
. При переходе через точку
h=\frac{4}{3}R
производная меняет знак с плюса на минус. Значит, на промежутке
\left(0;\frac{4}{3}R\right)
функция
V(h)
возрастает, а на промежутке
\left(\frac{4}{3}R;2R\right)
— убывает. Следовательно, при
h=\frac{4}{3}R
объём пирамиды
ABCD
наибольший. При этом
V\left(\frac{4}{3}R\right)=\frac{2}{3}\cdot\left(\frac{4}{3}R\right)^{2}\cdot\left(2R-\frac{4}{3}R\right)=\frac{64}{81}R^{3}.

Второй способ. Применяя неравенство Коши для трёх чисел, получим, что
V(h)=\frac{2}{3}h^{2}(2R-h)=\frac{2}{3}\pi\cdot4\cdot\frac{1}{2}h\cdot\frac{1}{2}h(2R-h)\geqslant

\geqslant\frac{8}{3}\pi\cdot\left(\frac{\frac{1}{2}h+\frac{1}{2}h+(2R-h)}{3}\right)^{3}=\frac{8}{3}\pi\cdot\frac{8}{27}R=\frac{64}{81}\pi,

причём равенство достигается, если
\frac{1}{2}h=2R-h
, т. е. при
h=\frac{4}{3}R
. Следовательно, наибольшее значение объёма конуса достигается при
h=\frac{4}{3}R
.