Kącik przestrzenny
Trzy rozwiązania pewnego zadania
W tym kąciku zajmiemy się pewnym zadaniem o czworościanie foremnym, o którym, między innymi, miałem okazję opowiadać na XLVI Szkole Matematyki Poglądowej pod hasłem Podejście niestandardowe.
Zadanie. Dany jest czworościan foremny o krawędzi długości
Punkty
i
leżą na krawędziach
i
przy czym
Znaleźć
długość odcinka
Zadanie jest szkolne, a więc zobaczmy, jak wygląda typowo szkolny sposób rozwiązywania.

Sposób I – za pomocą twierdzenia Pitagorasa. Oznaczmy przez
i
środki krawędzi
i
Odcinki
i
są wysokościami trójkątów równobocznych
i
a więc
ich długości są równe
Trójkąt
jest więc
równoramienny, zatem jego środkowa
jest jednocześnie
jego wysokością i z twierdzenia Pitagorasa
obliczymy, że
Jeśli
to wiemy już,
że
Dalej przyjmijmy dla
ustalenia uwagi, że
Trójkąt
jest prostokątny,
a skoro
to znów korzystając z twierdzenia Pitagorasa,
obliczymy, że

Płaszczyzna
jest płaszczyzną symetralną odcinka
a więc jest do niego prostopadła. To samo dotyczy dowolnej
prostej w niej zawartej, skąd wniosek, że
Z twierdzenia
Pitagorasa dla trójkąta prostokątnego
dostajemy

skąd
Rachunki dość uciążliwe, ale wynik podejrzanie ładny
Spróbujmy
więc innego podejścia. Doświadczony uczestnik olimpiad, jak również
Czytelnik Uważny, spojrzałby na to w następujący sposób.

Sposób II – za pomocą wpisania czworościanu foremnego w sześcian.
Na czworościanie
opiszmy sześcian
Długość
jego krawędzi jest równa
Niech
będzie takim punktem
na odcinku
że
i
Wtedy odcinek
jest prostopadły do podstawy
a jego długość
jest równa długości krawędzi sześcianu, czyli
Znowu, jeśli
to punkt
pokrywa się z punktem
a więc
odcinek
pokrywa się z
– stąd
W przeciwnym
przypadku trójkąt
jest prostokątny. Korzystając np. z twierdzenia
Talesa, możemy obliczyć, że
Stosując teraz twierdzenie
Pitagorasa dla trójkąta
otrzymujemy

i znów

Tym razem rachunki były krótsze, ale nadal trzeba coś obliczyć, a poza tym
w obu rozwiązaniach obliczenia nie obejmują przypadku
Pokażemy
więc sposób, który daje wynik natychmiast i bez rozpatrywania dwóch
przypadków.
Sposób III – za pomocą... chytrego, niestandardowego pomysłu.
Niech
będzie takim punktem leżącym na krawędzi
że
i
Trójkąty
i
są równoboczne,
a stąd wynika, że
i
Z twierdzenia odwrotnego
do twierdzenia Talesa wnioskujemy, że
i
Ale
krawędzie
i
czworościanu
są prostopadłe
(dlaczego?), skąd wnioskujemy, że trójkąt
jest prostokątny.
Twierdzenie Pitagorasa daje więc wynik