8063. Сторона основания правильной четырёхугольной пирамиды равна
a
. Центры двух шаров радиуса
r
, содержащихся внутри пирамиды, расположены на её высоте. Первый шар касается плоскости основания пирамиды, второй шар касается первого и плоскостей всех боковых граней пирамиды. Найдите высоту пирамиды.
Ответ.
\frac{ar(\sqrt{a^{2}+32r^{2}}+3a)}{a^{2}-4r^{2}}
.
Решение. Пусть
PABCD
— правильная четырёхугольная пирамида с вершиной
P
;
M
и
N
— середины сторон соответственно
AD
и
BC
основания
ABCD
. Сечение пирамиды плоскостью, проходящей через точки
P
,
M
и
N
, — равнобедренный треугольник
PMN
, основание
MN
которого равно стороне квадрата
ABCD
т. е.
a
. Центры
O_{1}
и
O_{2}
касающихся окружностей радиуса
r
расположены на высоте
PQ
. Окружность с центром
O_{1}
вписана в угол
MPN
, а окружность с центром
O_{2}
касается основания
MN
в его середине
Q
.
Пусть высота пирамиды равна
x
, а окружность с центром
O_{1}
касается
PN
в точке
F
. Из подобия прямоугольных треугольников
PFO_{1}
и
PQN
следует, что
\frac{PO_{1}}{PN}=\frac{O_{1}F}{QN},~\mbox{или}~\frac{x-3r}{\sqrt{x^{2}+\frac{a^{2}}{4}}}=\frac{2r}{a}.

После очевидных упрощений получим квадратное уравнение
(a^{2}-4r^{2})x^{2}-6a^{2}rx+8a^{2}r^{2}=0,

откуда находим, что
x=\frac{ar(\sqrt{a^{2}+32r^{2}}+3a)}{a^{2}-4r^{2}}

или
x=\frac{ar(\sqrt{a^{2}+32r^{2}}-3a)}{a^{2}-4r^{2}}.

Из условия задачи следует, что
a\gt2r
, поэтому
a^{2}\gt4r^{2},~8a^{2}\gt32r^{2},~9a^{2}\gt a^{2}+32r^{2},~3a\gt\sqrt{a^{2}+32r^{2}}.

Значит, второй корень отрицателен. Следовательно, высота пирамиды равна
\frac{ar(\sqrt{a^{2}+32r^{2}}+3a)}{a^{2}-4r^{2}}.