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