三棱

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TUhjnbcbe - 2023/9/17 18:58:00
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原题

原题:已知正四面体P-ABC中,D,E,F分别在棱PA,PB,PC上,若PE≠PF,且DE=DF=√7,EF=2,则四面体P-DEF的体积为?

图一图二

题中要求的是四面体P-DEF的体积,但是D,E,F这三点既不是正四面体边上的中点,它们所围成的四面体P-DEF有也不是规则的四面体,且明确的说明PE≠PF,那该如何求该四面体P-DEF的体积呢?

这道题中除了给出三角形DEF的三边外,就是正四面体P-ABC,所以还是要从给出的已知出发,进一步的得出PE,PF,PD的值。

得出PE,PF,PD的关系或者值

为了简化计算,我们可以分别设PE,PF,PD的值为x,y,z。

为了建立它们三者之间的关系,尤其是在三角形中建立边之间的关系,一般均使用余弦定理。

因为四面体P-ABC是正四面体,所以∠EPF=∠DPE=∠DPF=60度。

在三角形PEF中,根据余弦定理有EF^2=x^2+y^2-2xycos60度,又因为EF=2,所以整理得到x^2+y^2-xy=4①;

在三角形DPE中,根据余弦定理有DE^2=x^2+z^2-2xzcos60度,又因为DE=√7,所以整理得到x^2+z^2-xz=7②;

在三角形DPF中,根据余弦定理有DF^2=z^2+y^2-2zycos60度,又因为DF=√7,所以整理得到y^2+z^2-yz=7③。

图三

这样就得到了PE,PF,PD三者之间的关系式①②③式,而①②③式就构成了三元二次方程组,那如何解这三元二次方程组就成了关键。

解该三元二次方程

对于这样的式子我们不能盲目的去解决,要仔细的观察,找到解方程的入手点。

观察发现②③式子是相同的,不同的是一个是x,一个是y,所以我们可以将x和y看成是方程t^2-zt+z^2-7=0的两个解,而z看成是一个常数,所以该方程就是变成了二元一次方程。

根据二元一次方程的特点有x+y=z,xy=z^2-7,再将x+y=z,xy=z^2-7代入①式子中就可以得到只关于z的方程,即z^2-3(z^2-7)=4,解得到z=√17/√2,将z=√17/√2代入xy=z^2-7中,解得到xy=3/2。

图四

接下俩我们无需将x和y的值求出来,因为xy的乘积在乘以角EPF的正弦就是三角形EPF的面积,再求出D点到该面的距离即可根据三棱锥的体积求出P-DEF的体积。

求出D点到面EPF的距离

要想求出点D到面EPF的距离,就要得出PD与面EPF的夹角,而它们的夹角实际就是PA与面PBC的夹角。

图五

取BC的中点M,连接AM,PM。

因为四面体P-ABC是正四面体,设该正四面体的边为a,则有PM=AM=√3a/2,PA=a。

在三角形APM中,根据余弦定理有AM^2=PA^2+PM^2-2PA·PMcos∠APM,而∠APM就是PA和面PBC的夹角,也是PD与面PEF的夹角。

解得到cos∠APM=1/√3,根据(cos∠APM)^2+(sin∠APM)^2=1得到sin∠APM=√6/3。

所以点D到面EPF的距离就为PDsin∠APM=√17/√2×√6/3=√17/√3。

求出四面体P-DEF的体积

因为四面体D-EPF的体积和四面体P-DEF的体积相等,所以只要求出四面体D-EPF的体积即可。

根据四面体的体积公式有V=1/3×h×S底,所以得到四面体D-EPF的体积为V=1/3×PDsin∠APM×S△EPF=1/3×√17/√3×1/2×3/2×sin60度=√17/8。

所以的就到了四面体P-DEF的体积为√17/8。

图六

总结

解这道题时,主要是从已知出发,根据已知再构建出更多的已知,但是不要盲目的去求解,浪费没必要的时间。

这道题主要考察了我们观察的能力,不善于观察,很难快速的解出三元二次方程z的值。

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