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第十讲 特殊四面体及其性质2
[接上] 第十讲:特殊四面体及其性质
[直角四面体的应用]
例1. 求证判定 (3) 中O—ABC是直角四面体。
证法一:设正四面体ABCD的棱长为a,则其高DH=a,而AH=a,DO=OH=a,在Rt中a,同理OB=OC=OA=a,由勾股定理易证AOB=BOC=COA=,故得证。
证法二:如图三,将正四面体ABCD镶嵌在棱长为的正方体中,
则正四面体ABCD中O、H是正方体对角线DE的两个三等分点,由定比分点公式得:O()、H()()()=0,即OAOB,同理OBOC,OCOA,得证。
例2. (2003年湖南省高中数学竞赛题) S—ABC是三条棱两两互相垂直的三棱锥,O为底面ABC内一点,若OSA=,OSB=OSC=,则tantantan ( )
A. [ B.(0,] C. [1,] D.(1,)
简析:由2.2 (1) I有cosa+cos+cos=lsin=1朿os: =cos+cos2coscos,同理有 sin2cosacos,sin≥2coscos 三式相乘有tantantan8 选(A)
或以SO为对角线补成长、宽、高分别设为a、b、c的长方体 tantantan=
例3.三棱锥的三条侧棱两两互相垂直,三侧面与底面所成的二面角分别为30°、45°、60°,底面积为1,则三棱锥的侧面积为 ( )
(A). (B). (C). (D).
解:每一个侧面都是底面在这个侧面所在平面上的射影,由面积射影公式cosθ = S = S·(cos30°+cos45°+cos60°)= 选 ( A )
解后反思:由2.2(1)Ⅲ 知cos+cos+cos=,故此题是一道流行很广的错题!
例4. 已知直线四面体O—ABC中,三直角面与斜面ABC所成的二面角分别为、、,则( )
A.coscoscos= B.cos +cos+cos=l
C.sinsinsin= D.sin +sin+sin=1
解法一:由2.2 (1) Ⅲ 知cos +cos+cos=l sin +sin+sin=2 . 选(B)
解法二:由2.4有S=++,两边同时除以S,由cosθ = 得:
cos +cos+cos=l .
解法三:补成长方体,则、、长方体对角线OH与OA、OB、OC所成的角,特殊值法,令OA=OB==OC=1,则方向角==,且方向余弦cos=cos=cos=,检验四个选项知只有(B)对。
例5. 直角四面体O—ABC中,若分别满足下列条件,试求其体积V的最大值。
①.若S= S为定值;②.若外接球半径为R(定值); ③.若六条棱长和L为定值。
分析:V = bcV
①.由性质2.3或2.4 bc
当且仅当=b=c,即OA=OB=OC=时, V= .
②.由性质2.8 2R=知4R= 为定值,由均值不等式得:
当且仅当 =b=c= 时, V=.
③. 十b十c十十十=L(定值),此式是关于、b、c的轮换式,故由均值不等式知:当且仅当=b=c=时,等号成立! 或
V=
例6.(2004年湖南省高中数学竞赛题)已知三棱锥O—ABC的三条侧棱OA、OB、OC两两垂直,P是底面△ABC内的任一点,OP与三侧面所成的角分别为α、β、.求证:
证明:由 题意可得 : ,且α、β、 所以
因为 ,所以
当时,;
当时,,同样有 故
另一方面,不妨设 ,则 ;
令 ,则
因为 ,所以 ;所以
所以 ;如果运用调整法,只要α、β、不全相等,总可通过调整,使增大.所以,当α=β==时,α+β+取最大值 3.综上可知: .
注释:[1].2.2中,如图一,利用2.1推导 RtCOD,且OHCD,AB面COD,则 (1): II、取AB,利用好RtAOB,分析BAO、 ABO及; III、取=CDO=COH ,结合I中OH即可证;(2):II、如 OC与斜面所成角OCD=DOH转化为I得证; Ⅲ、分析ABBAO、ABO及可证此关系式。
[2].2.7中 (a+b+c)=,由各直角面的面积公式及性质2.4,将上式化简得证。
[3].例1中, , 由性质2.6 (2 ) 直角四面体E—ABC中,底面上的高,点O、H为DE的两个三等分点, 或可由O、E关于点H之对称性知O—ABC也是直角四面体。
[4].例5③,由均值不等式 十b十c十十十 .
四. 等腰四面体
定义: 四个面都是全等
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