8290. Все грани параллелепипеда ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
 — равные ромбы со стороной a
, \angle BAD=60^{\circ}
. Докажите, что BDD_{1}B_{1}
 — квадрат. Найдите диагонали параллелепипеда.
Ответ. a\sqrt{6}
, a\sqrt{2}
, a\sqrt{2}
, a\sqrt{2}
.
Указание. Если плоские углы при вершине A
 параллелепипеда равны по 60^{\circ}
, то плоскость, проходящая через концы трёх рёбер, исходящих из этой вершины, отсекает от параллелепипеда правильный тетраэдр с ребром a
.
Решение. Пусть A_{1}H
 — высота параллелепипеда, M
 и N
 — проекции точки H
 на прямые AB
 и AC
. По теореме о трёх перпендикулярах A_{1}M
 и A_{1}N
 — высоты ромбов AA_{1}B_{1}B
 и AA_{1}C_{1}C
, а так как A_{1}M=A_{1}N
, то HM=HN
. Точка H
 равноудалена от прямых AB
 и AD
, значит, H
 лежит на биссектрисе угла ABC
 или на её продолжении.
Пусть точка H
 лежит на биссектрисе угла BAC
, т. е. на луче AC
. Тогда точки M
 и N
 лежат на лучах AB
 и AD
 соответственно, значит, углы BAA_{1}
 и DAA_{1}
 острые. Следовательно, \angle BAA_{1}=\angle DAA_{1}=60^{\circ}
. Тогда все рёбра тетраэдра ABDA_{1}
 равны, значит, это правильный тетраэдр с ребром a
.
Диагонали ромба перпендикулярны, поэтому AH\perp BD
. Тогда по теореме о трёх перпендикулярах (см. задачу 7707) AA_{1}\perp BD
, а так как BB_{1}\parallel AA_{1}
 и BD=AB=a
, то BDD_{1}B_{1}
 — квадрат со стороной a
.
Диагонали BD_{1}
 и DB_{1}
 параллелепипеда — это диагонали квадрата со стороной a
, следовательно, BD_{1}=DB_{1}=a\sqrt{2}
.
Диагональ AC_{1}
 параллелепипеда проходит через точку P
 пересечения медиан треугольника BA_{1}D
 и делится ею в отношении 1:2
, считая от вершины A
 (см. задачу 7212), а так как AB_{1}
 — высота правильного тетраэдра ABDA_{1}
 с ребром a
, то (см. задачу 7040)
AC_{1}=3AP=3\cdot a\sqrt{\frac{2}{3}}=a\sqrt{6}.
 Диагональ CA_{1}
 параллелепипеда — это диагональ параллелограмма AA_{1}C_{1}C
 со сторонами AA_{1}=CC_{1}=a
, A_{1}C_{1}=AC=a\sqrt{3}
 и диагональю AC_{1}=a\sqrt{6}
. Из равенства CA_{1}^{2}+AC_{1}^{2}=2AA_{1}^{2}+2AC^{2}
 (см задачу 4011) находим, что
CA_{1}^{2}=2AA_{1}^{2}+2AC^{2}-AC_{1}^{2}=2a^{2}+6a^{2}-6a^{2}=2a^{2}.
 Следовательно, CA_{1}=a\sqrt{2}
.
Если же точка H
 лежит на продолжении биссектрисы угла BAC
, то все плоские углы при вершине C
 равны по 60^{\circ}
. Поменяв местами точки A
 и C
, получим ту же задачу.
Источник: Готман Э. Г., Скопец З. А. Решение геометрических задач аналитическим методом: Пособие для учащихся 9—10 кл. — М.: Просвещение, 1979. — № 436, с. 67