Инцентрические тетраэдры

Отрезки, соединяющие центры тяжести граней тетраэдра с противоположными вершинами (медианы тетраэдра), всегда пересекаются в одной точке, эта точка - центр тяжести тетраэдра. Если в этом условии заменить центры тяжести граней на ортоцентры граней, то оно превратится в новое определение ортоцентрического тетраэдра. Если же заменить их на центры вписанных в грани окружностей, называемых иногда инцентрами, мы получим определение нового класса тетраэдров - инцентрических.

Признаки класса инцентрических тетраэдров тоже довольно интересны.

(1)  Отрезки, соединяющие вершины тетраэдра с центрами окружностей, вписанных в противоположные грани, пересекаются в одной точке.

(2)  Биссектрисы углов двух граней, проведенному к общему ребру этих граней, имеют общее основание.

(3)  Произведения длин противоположных ребер равны.

(4)  Треугольник, образованный вторыми точками пересечения трех ребер, выходящих из одной вершины, с любой сферой, проходящей через три конца этих ребер, является равносторонним.

Доказательство (2).

По свойству (1), если DF, BE, CF, AM - биссектрисы соответственных углов в треугольниках АВС и FBD, то отрезки КС и LD будут иметь общую точку I (см. рис). Если же прямые DK и СL не пересекаются в точке F, то, очевидно, КС и DL не пересекаются, чего быть не может (по определению инцентрического тетраэдра).

Доказательство (3).

Учитывая свойство (2) и свойство биссектрисы, получаем соотношения:

 

 ;      .

Соразмерные тетраэдры

Соразмерными называются тетраэдры, у которых

(1)  Бивысоты равны.

(2)  Проекция тетраэдра на плоскость, перпендикулярную любой бимедиане, есть ромб.

(3) Грани описанного параллелепипеда равновелики.

(4) 4а²а₁²- (b²+b₁²-c²-c₁²)²=4b²b₁²- (c²+c₁²-a²-a₁²)²=4c²c₁²- (a²+a₁²-b²-b₁²)², где а и а₁, b и b₁, с и с₁ - длины противоположных ребер.

Для доказательства эквивалентности определений (1) - (4) достаточно заметить, что бивысоты тетраэдра равны высотам параллелограмма, являющегося его проекцией, упоминавшейся в свойстве (2), и высотам описанного параллелепипеда, и что квадрат площади параллелепипеда, содержащей, скажем, ребро с, равен , а скалярное произведение  выражается через ребра тетраэдра по формуле (4).

Добавим сюда ещё два условия соразмерности:

(5) Для каждой пары противоположных ребер тетраэдра плоскости, проведенные через одно из них и середину второго, перпендикулярны.

(6) В описанный параллелепипед соразмерного тетраэдра можно вписать сферу.

Правильные тетраэдры

Если ребра тетраэдра равны между собой, то равны между собой будут и трехгранные, и двугранные, и плоские углы. В таком случае тетраэдр называется правильным. Заметим также, что такой тетраэдр является и ортоцентрическим, и каркасным, и равногранным, и инцентрическим, и соразмерным.

Замечание 1.

Если тетраэдр является равногранным и принадлежит к одному из следующих видов тетраэдров: ортоцентрический, каркасный, инцентрический, соразмерный, то он будет и правильным.

Замечание 2.

Тетраэдр является правильным, если он принадлежит к двум любым видам тетраэдров из перечисленных: ортоцентрический, каркасный, инцентрический, соразмерный, равногранный.

Свойства правильного тетраэдра:

Каждая его вершина является вершиной трех треугольников. А значит, сумма плоских углов при каждой вершине будет равна 180º

(0) В правильный тетраэдр можно вписать октаэдр, притом четыре (из восьми) грани октаэдра будут совмещены с четырьмя гранями тетраэдра, все шесть вершин октаэдра будут совмещены с центрами шести рёбер тетраэдра.

(1) Правильный тетраэдр состоит из одного вписанного октаэдра (в центре) и четырёх тетраэдров (по вершинам), причем ребра этих тетраэдров и октаэдра вдвое меньше ребер правильного тетраэдра

(2) Правильный тетраэдр можно вписать в куб двумя способами, притом четыре вершины тетраэдра будут совмещены с четырьмя вершинами куба.

(3) Правильный тетраэдр можно вписать в икосаэдр, притом, четыре вершины тетраэдра будут совмещены с четырьмя вершинами икосаэдра.

Задача 1.

Доказать, что скрещивающиеся ребра правильного тетраэдра взаимно перпендикулярны.

Решение:

Пусть DH – высота правильного тетраэдра, точка H – центр правильного Δ ABC . Тогда проекцией отрезка AD на плоскость основания ABC будет отрезок BH . Т.к. BHAC , то по теореме о трех перпендикулярах наклонная BD  AC .

Задача 2.

Дан правильный тетраэдр МАВС с ребром 1. найдите расстояние между прямыми AL и МО, где L-середина ребра МС, О-центр грани АВС.

Решение:

1. Расстояние между двумя скрещивающимися прямыми - это длина перпендикуляра, опущенного из одной прямой, к плоскости, параллельной этой прямой и содержащей вторую прямую.

2. Строим проекцию AK отрезка AL на плоскость ABC. Плоскость AKL перпендикулярна плоскости ABC, параллельна прямой MO и содержит прямую AL. Значит, искомая длина - это длина перпендикуляра ON, опущенного из точки O к AK.

3. Найдем S _ΔKHAдвумя способами.

 

S_Δ= .

С другой стороны: S _ΔKHA =  

поэтому ρ  .

Найдём ON:  ρ =  .

Задача 3.

Каждое ребро треугольной пирамиды PABC равно 1; BD – высота треугольника ABC . Равносторонний треугольник BDE лежит в плоскости, образующей угол ϕ с ребром AC , причём точки P и E лежат по одну сторону от плоскости ABC . Найдите расстояние между точками P и E .

Решение. Поскольку все рёбра пирамиды PABC равны, это правильный тетраэдр. Пусть M – центр основания ABC , N – ортогональная проекция вершины E равностороннего треугольника BDE на плоскость ABC , K – середина BD , F – основание перпендикуляра, опущенного из точки E на высоту PM тетраэдра PABC . Так как EK BD , то по теореме о трёх перпендикулярах NK BD , поэтому EKN – линейный угол двугранного угла, образованного плоскостями ABC и BDE , а т.к. NK || AC , то EKN = ϕ . Далее имеем:

 

BD = , MD = , KD = , BD = , PM = ,

KM = KD - MD = - = , EK = BD · = , EN = EK sin ϕ = sin ϕ ,

NK = EK cos ϕ = cos ϕ , MN2 = NK2 + KM2 = cos 2ϕ + ,

PE2 = EF2 + PF2 = MN2 + (PM - MF)2 = MN2 + (PM - EN)2 =

= cos 2ϕ + + ( - sin ϕ)2 = cos 2ϕ + + - sin ϕ + sin 2ϕ == + + - sin ϕ = - sin ϕ = - sin ϕ.

 

Следовательно,

PE = = .

Задача 4.

Найди углы между скрещивающимися высотами соседних граней тетраэдра.

Решение.

Случай №1.

Пусть BK и DF – высоты граней ABC и BCD. BK, FD = α. Обозначим длину ребра тетраэдра как a. Проведем FL || BK, тогда α = DFL . , KL=LC.

 

 

Запишем теорему косинусов для Δ DLF :

; ; ; .

 

Случай №2 (высота расположена иначе).

BK и CN – высоты граней ABC и BCD. Проведем FP || CN и FL || BK. ; . Найдем LP. DO – высота правильного тетраэдра, DO =  , Q – проекция P на плоскость ABC,  . ,

 ;

 .

 

Запишем теорему косинусов для Δ LFP :

; ;

.

 

Так как угол между прямыми по определению острый

 

.