Длина диагонали куба ABCDA1B1C1D1 равна 3. На луче A1C отмечена точка P так, что A1P = 4.
а) Докажите, что PBDC1 — правильный тетраэдр.
б) Найдите длину отрезка AP.
Решение.
а) Введём систему координат, как показано на рисунке. Поскольку ребро куба в корень
меньше его диагонали, ребро данного куба равно
Тогда точки B, D, C1 имеют координаты
соответственно.
Поскольку P лежит на продолжении A1C, отрезок A1P можно рассматривать как диагональ куба с ребром
Тогда точка P имеет координаты 
Найдём расстояние от P до точек D1, B и C1:

Отрезки C1B, DB и DC1 — диагонали граней куба, поэтому по теореме Пифагора
Тогда
Значит, все рёбра тетраэдра DBC1P равны, поэтому он правильный.
б) Координаты точки A:
Раcстояние от точки P до точки A равно

Ответ: 
Приведём другое решение.
а) Диагональ куба в
больше его ребра:
Следовательно, 
Заметим, что
как диагонали квадратов со стороной AB. Тогда треугольник BC1D — правильный.
Пусть
Поскольку ABCD — квадрат имеем: 
Поскольку
как накрест лежащие, и
как вертикальные, получаем:
по двум углам, тогда 
Заметим, что треугольник
— прямоугольный, тогда
откуда

В треугольнике OMC имеем:
так как
— верно. Тогда, по теореме, обратной теореме Пифагора, ΔOMC − прямоугольный, ∠M = 90°.

Так как BO = OD (C1O — медиана),
и
— правильный, то M — точка пересечения медиан, биссектрис и высот ΔBDC1, то есть центр описанной окружности.
Так как M — центр описанной окружности треугольника BC1D и ∠C1MC = 90°, то проекция точки P — точка M, тогда PB = PC1 = PD.
Заметим, что
по теореме косинусов

Так как
значит,
— правильный тетраэдр, что и требовалось доказать.
б)
по теореме косинусов

Ответ: 
Критерии проверки:Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
---|
В результате использования верных утверждений и формул получен верный ответ. Обоснование не содержит неверных утверждений. | 2 |
В результате использования верных утверждений и формул задача доведена до ответа, но получен неверный ответ в результате допущенной вычислительной ошибки или описки. Обоснование не содержит неверных утверждений* Все промежуточные вычисления и полученный ответ верны, но обоснование отсутствует или содержит неверные утверждения. | 1 |
Решение не соответствует ни одному из критериев, перечисленных выше. | 0 |
Максимальный балл | 2 |
*Критерии распространяются и на случай использования координатного метода
Источник: ЕГЭ по математике — 2017. Досрочная волна, резервный день, вариант А. Ларина (часть С).
Методы геометрии: Метод координат
Классификатор стереометрии: Куб, Построения в пространстве, Правильный тетраэдр, Расстояние между точками