ĐGNL ĐHQG Hà Nội - Tư duy định lượng - Bài toán thiết diện của hình chóp

Ta có: ABCD  là hình thang và I,J là trung điểm của AD và BC  nên IJ là đường trung bình của hình thang ABCD.

\[ \Rightarrow IJ//AB//CD\]

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{G \in (SAB) \cap (IJG)}\\{AB \subset (SAB)}\\{IJ \subset (IJG)}\\{AB//IJ}\end{array}} \right. \Rightarrow \) Trong (SAB) qua G  kẻ\[MN//AB\left( {M \in SA;N \in SB} \right)\]

\[ \Rightarrow \left( {SAB} \right) \cap \left( {{\rm{IJ}}G} \right) = MN\] và\[MN//IJ//AB//CD\]

Dễ thấy thiết diện của (IJG) và hình chóp là hình thang MNJI.

G  là trọng tâm của tam giác SAB  và MN//AB nên theo định lí Ta-let ta có:

\[\frac{{MN}}{{AB}} = \frac{{SG}}{{SE}} = \frac{2}{3}\] (Với E  là trung điểm của AB).

\[ \Rightarrow MN = \frac{2}{3}AB\]

Lại có: IJ là đường trung bình của hình thang ABCD  nên\[{\rm{IJ}} = \frac{{AB + CD}}{2}.\]

Để hình thang MNJI  trở thành hình bình hành thì cần điều kiện MN=IJ.

\[ \Rightarrow \frac{2}{3}AB = \frac{1}{2}\left( {AB + CD} \right) \Leftrightarrow \frac{1}{6}AB = \frac{1}{2}CD \Leftrightarrow AB = 3CD.\]

Ta có:\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{M \in (\alpha ) \cap (ICD)}\\{CD\parallel (\alpha )}\\{CD \subset (ICD)}\end{array}} \right.\) suy ra giao tuyến của (α) và (ICD) là đường thẳng qua M  và song song với CD cắt IC tại L và cắt ID tại N.

Tương tự\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{M \in (\alpha ) \cap (JAB)}\\{AB\parallel (\alpha )}\\{AB \subset (JAB)}\end{array}} \right.\) suy ra giao tuyến của (α) và (JAB) là đường thẳng qua M và song song AB cắt JA tại P và cắt JB tại Q.

Ta có:\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{L \in (\alpha ) \cap (ABC)}\\{AB\parallel (\alpha )}\\{AB \subset (ABC)}\end{array}} \right.\) suy ra giao tuyến của (α) với (ABC) là đường thẳng qua L song song với AB cắt BC tại E và cắt AC  tại FF . Do đó  EF//AB (1)

Tương tự \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{N \in (\alpha ) \cap (ABD)}\\{AB\parallel (\alpha )}\\{AB \subset (ABD)}\end{array}} \right.\) suy ra giao tuyến của (α) và (ABD)  là đường thẳng qua N  song song với AB  cắt BD tại H  và cắt AD  tại G .

Do đó HG//AB(2) .

Từ (1) và (2) suy ra EF // HG // AB (*)

Ta có:\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{FG = (\alpha ) \cap (ACD)}\\{CD\parallel (\alpha )}\\{CD \subset (ACD)}\end{array}} \right. \Rightarrow FG\parallel CD(3)\)

Tương tự \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{EH = (\alpha ) \cap (BCD)}\\{CD\parallel (\alpha )}\\{CD \subset (BCD)}\end{array}} \right. \Rightarrow EH\parallel CD(4)\)

Từ (*) và (**) suy ra EFGH là hình bình hành.

Mà \[AB \bot CD \Rightarrow EF \bot FG.\]  Vậy thiết diện EFGH là hình chữ nhật\[ \Rightarrow {S_{EFGH}} = EF.FG = PQ.LN.\]

Trong tam giác JAB, ta có\[\frac{{PQ}}{{AB}} = \frac{{JM}}{{JI}} = \frac{2}{3} \Rightarrow PQ = \frac{{2AB}}{3} = \frac{{2a}}{3}.\]

Trong tam giác ICD  ta có\[\frac{{LN}}{{CD}} = \frac{{IM}}{{IJ}} = \frac{1}{3} \Rightarrow LN = \frac{{CD}}{3} = \frac{b}{3}.\]

Vậy diện tích thiết diện là\[{S_{EFGH}} = \frac{{2a}}{3}.\frac{b}{3} = \frac{{2ab}}{9}.\]

Giả sử một mặt phẳng song song với AB và CD cắt tứ diện ABCD theo một thiết diện là hình thoi MNIK như hình vẽ trên. Khi đó ta có:\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{MK//AB//IN}\\{MN//CD//IK}\\{MK = KI}\end{array}} \right.\)

Cách 1: Theo định lí Ta – lét ta có:\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{\frac{{MK}}{{AB}} = \frac{{CK}}{{AC}}}\\{\frac{{KI}}{{CD}} = \frac{{AK}}{{AC}}}\end{array}} \right. \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{\frac{{MK}}{6} = \frac{{AC - AK}}{{AC}}}\\{\frac{{KI}}{8} = \frac{{AK}}{{AC}}}\end{array}} \right.\)

\[ \Rightarrow \frac{{MK}}{6} = 1 - \frac{{AK}}{{AC}} \Rightarrow \frac{{MK}}{6} = 1 - \frac{{KI}}{8} \Rightarrow \frac{{MK}}{6} = 1 - \frac{{MK}}{8} \Leftrightarrow \frac{7}{{24}}MK = 1 \Leftrightarrow MK = \frac{{24}}{7}\]

Vậy hình thoi có cạnh bằng\[\frac{{24}}{7}\]

Vì\[\left( {IJG} \right) \cap \left( {SAB} \right) = \left\{ G \right\}\] ta có IJ//AB vì IJ là đường trung bình của hình thang ABCD

\[\left( {IJG} \right) \cap \left( {SAB} \right) = Gx//AB//IJ\]  Gọi \[E = Gx \cap SA,F = Gx \cap SB\]

\[\left( {IJG} \right) \cap \left( {SAD} \right) = EI,\left( {IJG} \right) \cap \left( {ABCD} \right) = IJ,\left( {IJG} \right) \cap \left( {SBC} \right) = JF\]

Suy ra thiết diện (IJG) và hình chóp là hình bình hành IJFE⇔IJ=EF (1)

vì G là trọng tâm tam giác \[SAB \Leftrightarrow SG = \frac{2}{3}GH \Rightarrow EF = \frac{2}{3}AB\,\,\left( 2 \right)\]

và\[IJ = \frac{{AB + CD}}{2}\,\,\,\,\left( 3 \right)\] vìIJlà đường trung bình của hình thang ABCDABCD

Từ (1),(2) và(3) \[ \Rightarrow \frac{2}{3}AB = \frac{{AB + CD}}{2} \Leftrightarrow 4AB = 3AB + 3CD \Leftrightarrow AB = 3CD\]

Gọi J;E lần lượt là trung điểm SA;AB.

Trong mặt phẳng (BCMJ) gọi\[I = MN \cap BC\]

Ta có: IM là đường trung tuyến của tam giác SID.

Trong tam giác ICD ta có BE song song và bằng \[\frac{1}{2}CD\] nên suy ra BE là đường trung bình của tam giác ICD⇒EI là trung điểm ID⇒SE là đường trung tuyến của tam giác SID.

Ta có:\[N = IM \cap SE \Rightarrow N\]  là trọng tâm tam giác\[SID \Rightarrow \frac{{IN}}{{IM}} = \frac{2}{3}\]

Ta có\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(BB\prime C\prime C)//(AA\prime D\prime D)}\\{(MNP) \cap (BB\prime C\prime C) = NP}\\{(MNP) \cap (AA\prime D\prime D) = MQ}\end{array}} \right. \Rightarrow NP//MQ\)

Tương tự:\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(AA\prime B\prime B)//(CC\prime D\prime D)}\\{(MNP) \cap (AA\prime B\prime B) = MN}\\{(MNP) \cap (CC\prime D\prime D) = PQ}\end{array} \Rightarrow MN//PQ} \right.\)

Suy ra mặt phẳng (MNP) cắt hình hộp theo thiết diện là hình bình hành MNPQ.

Mặt khác\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{BN = \frac{1}{3}BB\prime = \frac{1}{3}AA\prime }\\{AM = \frac{2}{3}AA\prime }\end{array}} \right. \Rightarrow \frac{{BN}}{{AM}} = \frac{1}{2}\)

Trong mặt phẳng (ABB′A′), gọi E là giao điểm của hai đường thẳng MN và AB thì BN là đường trung bình của tam giác AME ⇒N là trung điểm của đoạn thẳng ME.

Trong mặt phẳng (MNPQ), gọi F là giao điểm của EP và MQ thì NP là đường trung bình của tam giác MEF (vì NP//MQ và N là trung điểm EM)\[ \Rightarrow NP = \frac{1}{2}MF\]

Mà tứ giác MNPQ là hình bình hành nên NP=MQ⇒Q là trung điểm MF hay\[\frac{{FQ}}{{FM}} = \frac{1}{2}\]

Lại có \[D'Q\,//\,A'M \Rightarrow \frac{{D'Q}}{{A'M}} = \frac{{FQ}}{{FM}} = \frac{1}{2}\]

\[ \Leftrightarrow \frac{{D'Q}}{{\frac{1}{3}AA'}} = \frac{1}{2} \Leftrightarrow \frac{{D'Q}}{{DD'}} = \frac{1}{2}.\frac{1}{3} = \frac{1}{6}\]

Ta có\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(\alpha )//CD}\\{CD \subset (ICD)}\\{M \in (\alpha ) \cap (ICD)}\end{array}} \right.\) ⇒ giao tuyến của (α) với (ICD) là đường thẳng qua M và

song song với CDcắt IC tại L và ID tại N.

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(\alpha )//AB}\\{AB \subset (JAB)}\\{M \in (\alpha ) \cap (JAB)}\end{array}} \right.\) ⇒ giao tuyến của (α) với (JAB) là đường thẳng qua M và song song

với AB cắt JA tại P và JB tại Q.

Ta có\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(\alpha )//AB}\\{AB \subset (ABC)}\\{L \in (\alpha ) \cap (ABC)}\end{array}} \right. \Rightarrow EF//AB\,\,\,\,\left( 1 \right)\)

Tương tự \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(\alpha )//AB}\\{AB \subset (ABD)}\\{N \in (\alpha ) \cap (ABD)}\end{array}} \right. \Rightarrow HG//AB\,\,\left( 2 \right)\)

Từ  (1) và (2) \[ \Rightarrow EF//HG//AB\,\,\,\left( 3 \right)\]

Ta có\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(\alpha )//CD}\\{CD \subset (ACD)}\\{P \in (\alpha ) \cap (ACD)}\end{array}} \right. \Rightarrow FG//CD\,\,\,\left( 4 \right)\)

Tương tự\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(\alpha )//CD}\\{CD \subset (BCD)}\\{Q \in (\alpha ) \cap (BCD)}\end{array}} \right. \Rightarrow EH//CD\,\,\,\left( 5 \right)\)

Từ  (4) và (5) \[ \Rightarrow FG//EH//CD\,\,\,\,\left( 6 \right)\]

Từ  (3) và (6), suy ra EFGH là hình  bình hành. Mà AB⊥CD nên EFGH là hình chữ nhật.

Xét tam giác ICD có:\[LN//CD \Rightarrow \frac{{LN}}{{CD}} = \frac{{IN}}{{ID}}\]

Xét tam giác ICD có:\[MN//JD \Rightarrow \frac{{IN}}{{ID}} = \frac{{IM}}{{IJ}}\]

Do đó\[\frac{{LN}}{{CD}} = \frac{{IM}}{{IJ}} = \frac{1}{3} \Rightarrow LN = \frac{1}{3}CD = \frac{b}{3}\]

Tương tự\[\frac{{PQ}}{{AB}} = \frac{{JM}}{{JI}} = \frac{2}{3} \Rightarrow PQ = \frac{2}{3}AB = \frac{{2a}}{3}\]

Vậy\[{S_{EFGH}} = PQ.LN = \frac{{2ab}}{9}\]

Ta có:

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(P)//(SAB)}\\{M \in AD,M \in (P)}\end{array}} \right. \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(P) \cap (ABCD) = MN}\\{(P) \cap (SCD) = PQ}\end{array}} \right.\) và\[MN\,//\,PQ\,//\,AB\](1)

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(P)//(SAB)}\\{M \in AD,M \in (P)}\end{array}} \right. \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{(P) \cap (SAD) = MQ}\\{(P) \cap (SBC) = NP}\end{array}} \right.\) và\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{MQ//SA}\\{NP//SB}\end{array}} \right.\)

Mà tam giác SAB vuông tại A nên \[SA \bot AB \Rightarrow MN \bot MQ\,\,\,\,\left( 2 \right)\]

Từ (1) và (2) suy ra (P) cắt hình chóp theo thiết diện là hình thang vuông tại M và Q.

Mặt khác

\[MQ\,//\,SA \Rightarrow \frac{{MQ}}{{SA}} = \frac{{DM}}{{DA}} = \frac{{DQ}}{{DS}} \Rightarrow MQ = \frac{1}{3}SA\] và\[\frac{{DQ}}{{DS}} = \frac{1}{3}\]

\[PQ\,//\,CD \Rightarrow \frac{{PQ}}{{CD}} = \frac{{SQ}}{{SD}} \Rightarrow PQ = \frac{2}{3}AB\]  với\[AB = \sqrt {S{B^2} - S{A^2}} = a\]

Khi đó\[{S_{MNPQ}} = \frac{1}{2}MQ.\left( {PQ + MN} \right) \Leftrightarrow {S_{MNPQ}} = \frac{1}{2}\frac{{SA}}{3}.\left( {\frac{{2AB}}{3} + AB} \right)\]

\[ \Leftrightarrow {S_{MNPQ}} = \frac{{5{a^2}\sqrt 3 }}{{18}}\]

Gọi Δ là giao tuyến của mặt phẳng (ABM) với mặt phẳng (SDC).

Ta có AB song song với (SDC) nên suy ra AB song song với Δ.

Gọi N là trung điểm SC, ta có \[N \in \Delta \].

Do đó thiết diện là hình thang cân ABNM.

Kẻ \[MH \bot AB\;\] tại H, \[H \in AB\]

Do AB=CD và MN

Áp dụng công thức độ dài đường trung tuyến, ta có

\[AM = \sqrt {\frac{{{a^2} + 2{a^2}}}{2} - \frac{{2{a^2}}}{4}} = a\]

Mặt khác \[AH = \frac{{AB - MN}}{2} = \frac{{a - \frac{a}{2}}}{2} = \frac{a}{4}\] nên

\[MH = \sqrt {A{M^2} - A{H^2}} = \frac{{a\sqrt {15} }}{4}\]

Suy ra\[{S_{ABNM}} = \frac{{MH.\left( {MN + AB} \right)}}{2} = \frac{{3\sqrt {15} {a^2}}}{{16}}\]

Ta có \[\frac{{BM}}{{C'N}} = \frac{{MB'}}{{ND'}} = \frac{{BB'}}{{C'D'}} = 1\] do đó theo định lý ta-let trong không gian thì  BC′, MN, B′D′ lần lượt cùng song song (hoặc nằm trong) với một mặt phẳng.

Mà \[B'D'//\left( {BC'D} \right)\] và \[BC' \subset \left( {BC'D} \right)\] nên ta có \[MN//\left( {BC'D} \right)\].

Chứng minh tương tự ta có \[NP//\left( {BC'D} \right)\] Do đó \[\left( {MNP} \right)//\left( {BC'D} \right)\]

Qua P, kẻ \[PQ//BD,Q \in AB\]. Qua  N, kẻ \[NF//{\rm{C'}}D,F \in D'D\].

Qua M, kẻ \[ME//{\rm{BC'}},E \in B'C'\]

Khi đó ta có thiết diện tạo bởi mặt phẳng (MNP) với hình lập phương là lục giác MENFPQ.

Dễ thấy\[EN = PF = MQ = \frac{{a\sqrt 2 }}{3},NF = PQ = ME = \frac{{2a\sqrt 2 }}{3}\] và tam giác  BC′D là tam giác đều vì\[BC' = BD = DC' = a\sqrt 2 \]

Do đó\[\widehat {ENF} = \widehat {NFP} = \widehat {FPQ} = \widehat {PQM} = \widehat {QME} = \widehat {MEN} = {120^ \circ }\]

Kẻ các đường cao EH,PK của các hình thang cân MENF,MQPF ta có:

\[EH = ME\sin {60^0} = \frac{{2a\sqrt 2 }}{3}.\frac{{\sqrt 3 }}{2} = \frac{{a\sqrt 6 }}{3}\]

\[\begin{array}{*{20}{l}}{PK = FP\sin {{60}^0} = \frac{{a\sqrt 2 }}{3}.\frac{{\sqrt 3 }}{2} = \frac{{a\sqrt 6 }}{6}}\\{MH = ME\cos {{60}^0} = \frac{{2a\sqrt 2 }}{3}.\frac{1}{2} = \frac{{a\sqrt 2 }}{3}}\\{ \Rightarrow MF = 2MH + EN = 2.\frac{{a\sqrt 2 }}{3} + \frac{{a\sqrt 2 }}{3} = a\sqrt 2 }\end{array}\]

Diện tích hình thang MENF là:

\[{S_1} = \frac{1}{2}\left( {EN + MF} \right).EH = \frac{1}{2}\left( {\frac{{a\sqrt 2 }}{3} + a\sqrt 2 } \right).\frac{{a\sqrt 6 }}{3} = \frac{{4{a^2}\sqrt 3 }}{9}\]

Diện tích hình thang MQPF là:

\[{S_2} = \frac{1}{2}\left( {QP + MF} \right).PK = \frac{1}{2}\left( {\frac{{2a\sqrt 2 }}{3} + a\sqrt 2 } \right).\frac{{a\sqrt 6 }}{6} = \frac{{5{a^2}\sqrt 3 }}{{18}}\]

Vậy \[{S_{MENFPQ}} = {S_1} + {S_2} = \frac{{4{a^2}\sqrt 3 }}{9} + \frac{{5{a^2}\sqrt 3 }}{{18}} = \frac{{13{a^2}\sqrt 3 }}{{18}}\]