Задание 15
тема 7 из 15

Отношения отрезков в сечении

В задании 15 часто надо доказать или найти, в каком отношении сечение делит ребро. Отношение переносят из одной плоскости в другую: прямая, параллельная стороне, отсекает подобный треугольник, точка следа связывает две грани, а теорема Менелая связывает три отношения в одном треугольнике. Когда точку задаёт перпендикуляр, отношение получают из длин. Из отношений на рёбрах находят отношение объёмов частей.

Часто в задании15На карте навыков

Найдите плоскость, где отношение видно

Отношение отрезков ребра находят в плоскости, в которой лежат это ребро и известные отрезки: в грани, в основании или в диагональном сечении.

  • Прямая, параллельная стороне треугольника, делит две другие стороны в одном отношении.
  • След: продолжите прямую сечения до пересечения с прямой ребра. В точке пересечения сходятся стороны двух подобных треугольников.
  • Теорема Менелая: если прямая пересекает прямые BCBC, CACA, ABAB в точках A1A_1, B1B_1, C1C_1, то AC1C1B⋅BA1A1C⋅CB1B1A=1\frac{AC_1}{C_1B} \cdot \frac{BA_1}{A_1C} \cdot \frac{CB_1}{B_1A} = 1.
  • Если точку задаёт перпендикуляр, найдите длины отрезков из прямоугольных треугольников.
  • «Считая от вершины SS» значит, что первым пишут отрезок, который прилегает к SS.
  • Объём части пирамиды: достройте часть до треугольной пирамиды с вершиной в точке следа и вычтите лишнюю пирамиду с тем же углом при этой вершине.

Параллельная прямая: подобные треугольники

Если отрезок MNMN параллелен стороне CDCD треугольника SCDSCD, то треугольник SMNSMN подобен треугольнику SCDSCD, и SNSD=SMSC=MNCD\frac{SN}{SD} = \frac{SM}{SC} = \frac{MN}{CD}. Если SNSD=pq\frac{SN}{SD} = \frac{p}{q}, то SN:ND=p:(q−p)SN : ND = p : (q - p).

Параллельность дают свойства параллельных прямых и плоскостей. Например, плоскость через ребро ABAB основания пирамиды пересекает грань SCDSCD по прямой, параллельной CDCD, если AB∥CDAB \parallel CD.

Пример

В правильной четырёхугольной пирамиде SABCDSABCD плоскость α\alpha проходит через ребро ABAB и пересекает рёбра SCSC и SDSD в точках MM и NN. Известно, что AB=3MNAB = 3MN. Докажите, что SN:ND=SM:MC=1:2SN : ND = SM : MC = 1 : 2.

ABCDSMN
MN∥CDMN \parallel CD, поэтому треугольник SNMSNM подобен треугольнику SDCSDC.
  1. 1.AB∥CDAB \parallel CD, поэтому AB∥(SCD)AB \parallel (SCD). Плоскость α\alpha проходит через ABAB и пересекает грань SCDSCD по прямой MNMN, поэтому MN∥CDMN \parallel CD.
  2. 2.Треугольник SNMSNM подобен треугольнику SDCSDC: SNSD=SMSC=MNDC=MNAB=13\frac{SN}{SD} = \frac{SM}{SC} = \frac{MN}{DC} = \frac{MN}{AB} = \frac13.
  3. 3.SN=13SDSN = \frac13 SD и ND=23SDND = \frac23 SD, поэтому SN:ND=1:2SN : ND = 1 : 2. Так же SM:MC=1:2SM : MC = 1 : 2.

След: подобные треугольники в двух гранях

Пусть сечение куба проходит через вершину AA, точку RR на ребре DCDC и точку LL на ребре B1C1B_1C_1. Чтобы найти точку QQ на ребре CC1CC_1, продолжите ARAR до пересечения с прямой BCBC в точке GG. Точки GG и LL лежат в плоскости грани BB1C1CBB_1C_1C, и прямая GLGL пересекает CC1CC_1 в точке QQ (метод следов).

Отношение считают в двух гранях. В нижней грани треугольник GCRGCR подобен треугольнику GBAGBA, это даёт CGCG. В боковой грани CG∥C1LCG \parallel C_1L, треугольник QCGQCG подобен треугольнику QC1LQC_1L, поэтому CQ:QC1=CG:C1LCQ : QC_1 = CG : C_1L.

Отношение на ребре зависит от точек R и L

AA1BB1CC1DD1QRL
Сечение — пятиугольник
DR:RC=1:2DR : RC = 1 : 2
B1L:LC1=1:1B_1L : LC_1 = 1 : 1
CQ:QC1=4:1CQ : QC_1 = 4 : 1
Плоскость проходит через вершину AA и точки RR и LL. Оранжевая точка следа лежит на прямой BCBC, прямая через неё и LL даёт точку QQ на ребре CC1CC_1. Двигайте точки RR и LL.
ABCDA1B1C1D1GRQLK
Точка GG следа лежит на продолжении ребра BCBC. Треугольники QCGQCG и QC1LQC_1L подобны.

Пример задания

Открытый банк ФИПИ

Ребро куба ABCDA1B1C1D1ABCDA_{1} B_{1} C_{1} D_{1} равно 30. На ребре DCDC отмечена точка RR так, что  DR=10,DR = 10 , а на ребре B1C1B_{1} C_{1} отмечена точка LL - середина B1C1,B_{1} C_{1} , причём плоскость ALRALR пересекает ребро CC1CC_{1} в точке Q.Q ..
а) Докажите, что CQ:QC1=4:1.CQ : QC_{1} = 4 : 1 .
б) Найдите расстояние от точки CC до плоскости ALR.ALR .

Теорема Менелая

Пусть прямая пересекает прямые BCBC, CACA и ABAB в точках A1A_1, B1B_1 и C1C_1; одна или все три точки лежат на продолжениях сторон. Тогда AC1C1B⋅BA1A1C⋅CB1B1A=1\frac{AC_1}{C_1B} \cdot \frac{BA_1}{A_1C} \cdot \frac{CB_1}{B_1A} = 1. Чтобы не ошибиться в порядке, обходите треугольник: вершина, точка на прямой стороны, следующая вершина — и так до начальной вершины.

В пирамиде выберите грань, в которой лежат ребро с искомой точкой и точка следа. В грани SDCSDC прямая MKEMKE пересекает ребро SDSD в точке MM, ребро SCSC в точке KK и продолжение DCDC в точке EE. Два отношения известны, третье даёт теорема.

Пример

В правильной четырёхугольной пирамиде SABCDSABCD точка MM — середина ребра SDSD, точка NN — середина ребра BCBC. Плоскость AMNAMN пересекает ребро SCSC в точке KK. Найдите отношение SK:KCSK : KC.

ABCDSENKM
Прямая MKEMKE пересекает стороны треугольника SDCSDC и продолжение стороны DCDC.
  1. 1.Прямая ANAN лежит в основании. Продолжим её до пересечения с прямой DCDC в точке EE.
  2. 2.Треугольники NBANBA и NCENCE равны: BN=NCBN = NC, углы при NN вертикальные, ∠NBA=∠NCE=90∘\angle NBA = \angle NCE = 90^\circ. Поэтому CE=AB=DCCE = AB = DC и DE=2DCDE = 2DC.
  3. 3.Точки EE и MM лежат в плоскости SDCSDC. Прямая EMEM пересекает ребро SCSC в точке KK.
  4. 4.Теорема Менелая для треугольника SDCSDC и прямой MKEMKE: SMMD⋅DEEC⋅CKKS=1\frac{SM}{MD} \cdot \frac{DE}{EC} \cdot \frac{CK}{KS} = 1.
  5. 5.1⋅21⋅CKKS=11 \cdot \frac21 \cdot \frac{CK}{KS} = 1, поэтому CKKS=12\frac{CK}{KS} = \frac12 и SK:KC=2:1SK : KC = 2 : 1.

Ответ: 2:12 : 1

Точку задаёт перпендикуляр: отношение из длин

Если точку на ребре задаёт перпендикуляр, отношение находят из длин. Пусть в прямоугольном треугольнике SOCSOC с прямым углом OO проведена высота OHOH к гипотенузе SCSC. Тогда OC2=HC⋅SCOC^2 = HC \cdot SC и OS2=SH⋅SCOS^2 = SH \cdot SC, поэтому SHHC=OS2OC2\frac{SH}{HC} = \frac{OS^2}{OC^2}.

Недостающую длину дают условия: площадь сечения, ребро, угол. Сначала найдите высоту OHOH или отрезок HCHC, затем гипотенузу.

ABCDSOH
Сечение — треугольник BHDBHD, OH⊥SCOH \perp SC.

Пример задания

Открытый банк ФИПИ

В правильной четырёхугольной пирамиде SABCDSABCD известно, что AB=2.AB = 2 . Через точку OO пересечения диагоналей основания перпендикулярно ребру SCSC провели плоскость α.\alpha .
а)  Докажите, что плоскость α\alpha проходит через вершины BB и D.D .
б)  В каком отношении плоскость α\alpha делит ребро SC,SC , считая от вершины S,S , если площадь сечения равна 3?\sqrt{3} ?

Отношение объёмов: пирамида с вершиной в точке следа

Сечение четырёхугольной пирамиды обычно отсекает часть, которая не является треугольной пирамидой. Её достраивают до треугольной пирамиды с вершиной в точке следа, а лишнюю часть вычитают по правилу пирамид с общим углом.

Пусть след ANAN пересекает прямую DCDC в точке EE, а прямая EMEM пересекает ребро SCSC в точке KK. Тогда часть ANCDMKANCDMK — пирамида EADMEADM без пирамиды ENCKENCK. У них общий угол при вершине EE, поэтому VENCK=ENEA⋅ECED⋅EKEM⋅VEADMV_{ENCK} = \frac{EN}{EA} \cdot \frac{EC}{ED} \cdot \frac{EK}{EM} \cdot V_{EADM}. Объём VEADMV_{EADM} сравните с объёмом всей пирамиды через площадь основания и высоту.

ADCBSENKM
Часть ANCDMKANCDMK — пирамида EADMEADM без пирамиды ENCKENCK с тем же углом при вершине EE.

Пример задания

Открытый банк ФИПИ

В основании пирамиды SABCDSABCD лежит трапеция ABCDABCD с основаниями ADAD и BC,BC , равными 8 и 3 соответственно. Точки MM и NN лежат на ребрах SDSD и BCBC соответственно, причем SM:MD=3:2,BN:NC=1:2.SM : MD = 3 : 2 , BN : NC = 1 : 2 . Плоскость AMNAMN пересекает ребро SCSC в точке K.K .
а) Докажите, что SK:KC=6:1.SK : KC = 6 : 1 .
б) Плоскость AMNAMN делит пирамиду SABCDSABCD на два многогранника. Найдите отношение их объемов.

Проверьте себя

00

Потренируйте навык

Все задания на этот навык

Решать