8293. Дан правильный тетраэдр
ABCD
с ребром
a
. Найдите площадь его сечения плоскостью, проходящей через медиану
BN
грани
BCD
параллельно медиане
DM
грани
ABD
.
Ответ.
\frac{a\sqrt{5}}{12}
.
Указание. Проведите плоскость через прямую
BN
и середину медианы
CM
треугольника
ABC
.
Решение. Пусть
K
— середина медианы
CM
грани
ABC
, а прямая
BK
пересекает ребро
AC
в точке
P
. Тогда плоскость
BPN
параллельна прямой
AD
, так как прямая
KN
, лежащая в этой плоскости, параллельна прямой
DM
как средняя линия треугольника
CMD
. Таким образом, искомое сечение — это треугольник
BPN
.
Через точку
C
проведём прямую, параллельную
AB
. Пусть эта прямая пересекается с продолжением отрезка
BP
в точке
T
. Треугольники
CKT
и
MKB
равны по стороне (
KT=BK
) и двум прилежащим к ней углам, поэтому
CT=BM=\frac{1}{2}AB
. Из подобия треугольников
CPT
и
APB
следует, что
\frac{CP}{AP}=\frac{CT}{AB}=\frac{\frac{1}{2}AB}{AB}=\frac{1}{2}.

Через точку
B
проведём прямую, параллельную
AC
. Пусть эта прямая пересекается с продолжением отрезка
CM
в точке
F
. Треугольники
BMF
и
AMC
равны по стороне (
AM=MB
) и двум прилежащим к ней углам, поэтому
BF=AC
. Из подобия треугольников
CKP
и
FKB
следует, что
\frac{PK}{KB}=\frac{CP}{BF}=\frac{\frac{1}{3}AC}{AC}=\frac{1}{3}.

По теореме косинусов из треугольников
CPN
и
CPB
находим, что
PN=\sqrt{\frac{1}{9}a^{2}+\frac{1}{4}a^{2}-\frac{1}{6}a^{2}}=\frac{a\sqrt{7}}{6},

BP=\sqrt{\frac{1}{9}a^{2}+a^{2}-\frac{1}{3}a^{2}}=\frac{a\sqrt{7}}{3}.

В треугольнике
BNK
известны стороны
BN=\frac{a\sqrt{3}}{2},~BK=\frac{3}{4}BP=\frac{a\sqrt{7}}{4},~KN=\frac{1}{2}DM=\frac{a\sqrt{3}}{4}.

Пусть угол между прямыми
DM
и
BN
равен
\alpha
. Тогда
\angle BNK=\alpha
, так как
KN\parallel AD
. По теореме косинусов
\cos\alpha=\frac{BN^{2}+KN^{2}-BK^{2}}{2BN\cdot KN}=\frac{\frac{3}{4}a^{2}+\frac{3}{16}a^{2}-\frac{7}{16}a^{2}}{2\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{4}}=\frac{2}{3},

\sin\alpha=\sqrt{1-\frac{4}{9}}=\frac{\sqrt{5}}{3}.

Поэтому
S_{\triangle BNK}=\frac{1}{2}BN\cdot KN\sin\alpha=\frac{1}{2}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{4}\cdot\frac{\sqrt{5}}{3}=\frac{a^{2}\sqrt{5}}{16}.

Следовательно,
S_{\triangle BPN}=\frac{BP}{BK}\cdot S_{\triangle BNK}=\frac{4}{3}\cdot\frac{a^{2}\sqrt{5}}{16}=\frac{a^{2}\sqrt{5}}{12}.