Wielościany w wielościanach, czyli matematyka eksperymentalna»Zadanie 2
o zadaniu...
- Zadanie pochodzi z artykułu Wielościany w wielościanach, czyli matematyka eksperymentalna
- Publikacja w Delcie: sierpień 2020
- Publikacja elektroniczna: 1 sierpnia 2020
- Artykuł źródłowy w wersji do druku [application/pdf]: (560 KB)
"Sześcian w Dwudziestościanie".
W dwudziestościanie foremnym zawarty jest sześcian o największej możliwej objętości. Jaką część objętości dwudziestościanu zajmuje ten sześcian?
wszystkie kąty płaskie przy wierzchołku
mają miarę
Wykazać, że 
będzie siatką tego czworościanu po rozcięciu wzdłuż krawędzi
i usunięciu ściany
Wówczas trójkąt
jest równoboczny.
w którym
jest podstawą ostrosłupa
Ponadto zachodzą równości
oraz
Udowodnić, że 
by czworokąt
był prostokątem. Wtedy trójkąt
jest równoboczny. Z nierówności kąta trójściennego mamy 
jest częścią wspólną sfer
i
Trzy różne punkty
i
leżą na okręgu
Punkt
leży na sferze
na zewnątrz sfery
Prosta
przecina sferę
w punkcie
; analogicznie określamy punkty
i
Dowieść, że płaszczyzna
przechodząca przez punkt
i styczna do sfery
jest równoległa do płaszczyzny 
Oznaczmy przez
prostą będącą częścią wspólną płaszczyzn
i
Rachunek na kątach dowodzi, że
Analogicznie, dla przekroju płaszczyzną
można dowieść, że 
Punkt
jest środkiem okręgu wpisanego w trójkąt
Punkt
leży na odcinku
i spełnia warunek
i
przecinają się w punkcie
Dowieść, że prosta
przechodzi przez środek odcinka 
Teraz wystarczy zastosować twierdzenie Menelaosa dla trójkąta
i prostej 
i
Wyznaczyć najkrótszą drogę łączącą dwa przeciwległe wierzchołki tego prostopadłościanu, biegnącą po jego powierzchni.
otrzymując z sąsiadujących ścian prostokąt o bokach
i
Poszukiwana najkrótsza droga wiedzie po linii prostej, czyli wzdłuż przekątnej tego prostokąta. Jej długość to
Dwa analogiczne wyniki otrzymamy dla krawędzi
i
więc powyższa droga jest najkrótsza, jeśli 
Dowieść, że obwód podstawy tego ostrosłupa jest nie mniejszy od długości każdej jego bocznej krawędzi.
w którym
i
Z tego wynika, że trójkąt
jest równoboczny. Brzeg podstawy ostrosłupa na narysowanej siatce jest łamaną 
zachodzą równości

i
jest trapezem równoramiennym.
jest wysokością czworościanu
w którym zachodzą równości
będzie środkiem okręgu opisanego na trójkącie
zaś
środkiem ciężkości tego trójkąta. Dowieść, że punkty
i
leżą na jednej prostej.
w którym punkty
i
są środkami odcinków odpowiednio
i
Punkt
jest ortocentrum trójkąta
Wystarczy skorzystać z twierdzenia o prostej Eulera.
sfery wpisanej oraz środek
sfery opisanej na czworościanie
przecina krawędź
Wykazać, że miary kątów
i
są równe lub sumują się do 
oraz
punktów
oraz
na płaszczyznę
analogicznie
oraz
na płaszczyznę
Ponieważ
otrzymujemy
Dalej, z twierdzenia Pitagorasa, okręgi opisane na ścianach
i
mają równe promienie. Teza wynika z twierdzenia sinusów.
wszystkie wewnętrzne kąty dwuścienne są ostre. Punkt
leży wewnątrz tego czworościanu, a jego odległość od każdej z płaszczyzn
i
jest większa niż
Dowieść, że przynajmniej dwa spośród odcinków
mają długość większą niż 
na płaszczyznę
otrzymamy punkt
leżący wewnątrz trójkąta
którego odległość od każdego z boków tego trójkąta jest większa od
Któryś z kątów trójkąta
powiedzmy kąt
ma miarę nieprzekraczającą
Stąd
Mamy też
więc z twierdzenia Pitagorasa dla trójkąta
otrzymamy
Powtarzając to rozumowanie dla płaszczyzny
otrzymamy tezę.
przecinamy płaszczyzną
położoną w odległości
od środka sześcianu. Jaka jest maksymalna wartość
przy której płaszczyzna
może mieć z każdą ścianą sześcianu co najmniej jeden punkt wspólny?
i ustalmy prostokątny układ współrzędnych, w którym wierzchołkami sześcianu są punkty
a rzutem prostokątnym punktu
na płaszczyznę
jest punkt
o współrzędnych
Zatem
; zaś płaszczyzna
jest dana równaniem 
Każda z półprzestrzeni (
) musi zawierać jeden z tych czterech wierzchołków. Zatem przy pewnym doborze znaków mamy nierówność
Skoro
znaczy to, że 
oraz
Dodajemy te trzy nierówności i otrzymujemy
od punktu
Tak więc
A ponieważ
ostatecznie 
wszystkie nierówności stają się równościami; płaszczyzna o równaniu
leży w odległości
od
i spotyka wszystkie ściany. Dla
szukane maksimum wynosi więc
; zaś w przypadku ogólnym - po przeskalowaniu - wynosi 
będzie wierzchołkiem kostki, odległym od stołu o
Oznaczmy długość krawędzi kostki przez
Łatwo zauważyć, że odcinki
oraz
muszą być krawędziami sześcianu (wynika to z faktu, że jeśli krawędziami są
i
to
jest ścianą). Niech
będzie długością krawędzi sześcianu. Dobierzmy układ współrzędnych tak, by
i
Oznaczmy przez
rzut prostokątny punktu
na prostą prostopadłą do stołu, przechodzącą przez
; wówczas
Przyjmijmy
wtedy
i
Korzystając z twierdzenia Pitagorasa dla trójkątów prostokątnych
dla
dostajemy
dostajemy
i
Po podniesieniu ostatnich trzech równości do kwadratu i zsumowaniu, otrzymamy
zatem 


w którym
są punktami styczności sfery wpisanej i ścian leżących odpowiednio naprzeciw wierzchołków 
oraz
w zależności od miar kątów wewnętrznych ścian czworościanu (które są dane, gdy dana jest siatka).
i
i
i
to pary trójkątów przystających; oznaczmy kąty wewnętrzne przy wierzchołku
w poszczególnych z nich odpowiednio przez
Wówczas
Dla pozostałych ścian konstrukcja jest w pełni analogiczna.
który można rozciąć płaszczyzną na dwa wielościany podobne do 
o wymiarach
rozetniemy go na dwa przystające prostopadłościany o wymiarach
Każdy z nich jest podobny do
w skali 
Niech
będzie odległością punktu
od płaszczyzny ustalonej podstawy graniastosłupa. Udowodnić, że
jest równoległobokiem i przesuń go tak, aby jego środek pokrył się ze środkiem podstawy.
Niech
będzie odległością punktu
od płaszczyzny ustalonej podstawy graniastosłupa. Dowieść, że
(wykorzystaj poprzednie zadanie).
zachodzą równości:
i
nie przekracza 4.
są takimi czterema wierzchołkami pewnego prostopadłościanu, że żadne dwa z nich nie są połączone krawędzią. Sfery
o środkach odpowiednio w punktach
są parami styczne. Udowodnić, że istnieje sfera
o środku w punkcie
która jest styczna do sfer 
oraz
gdyż są to pary przekątnych przystających prostokątów.
promień sfery
Jeżeli sfery
są parami styczne, to pewne dwie z nich - bez straty ogólności
i
- są styczne zewnętrznie, czyli
Jeśli
jest styczna zewnętrznie do
i
to
i wystarczy przyjąć
będzie styczna wewnętrznie do pozostałych trzech sfer, gdyż
jest styczna wewnętrznie do
i
to
będzie styczna zewnętrznie do
i
oraz styczna wewnętrznie do 