МОШ 2026, 11 класс, задача 6

В основании выпуклой четырёхугольной пирамиды лежит четырёхугольник , диагонали которого перпендикулярны, а никакие две стороны не равны. Известно, что вписанные сферы тетраэдров и касаются.
Докажите, что вписанные сферы тетраэдров и касаются.

(А. Доледенок)

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение. Первый способ. Для решения нам понадобятся три известных леммы.
Лемма 1.1. Пусть сфера вписана в трёхгранный угол и касается грани в точке . Тогда

Доказательство. Пусть сфера касается граней и в точках и соответственно. Тогда , а также , , по теореме об отрезках касательных. Значит, по трём сторонам равны следующие пары треугольников , , . Тогда

что и требовалось доказать.

Лемма 1.2. В выпуклую четырёхугольную пирамиду можно вписать сферу тогда и
только тогда, когда суммы противоположных плоских углов при вершине равны.
Доказательство данного утверждения можно найти в заметке «О шаре, вписанном в выпуклую
четырёхугольную пирамиду» И. Я. Такатара в журнале «Математическое просвещение».
Лемма 1.3. В выпуклую четырёхугольную пирамиду вписана сфера, которая касается плоскости основания в точке . Тогда .

Доказательство. Так как сумма углов треугольника равна , получаем, что , . Значит, достаточно обосновать равенство

По лемме 1.1

где последнее равенство выполнено по лемме 1.2.

Пусть вписанные сферы тетраэдров и касаются в точке .

Рисунок к первому способу решения задачи 6
Запишем по лемме 1.1 величину угла двумя способами.

По лемме 1.2 полученное равенство эквивалентно тому, что в можно вписать сферу .

Запишем по лемме 1.1 величину угла двумя способами.

Из полученного равенства и леммы 1.1 следует, что точка касания с гранью лежит на диагонали . По лемме 1.3 сумма углов, под которыми из точки видны стороны и , равна . Несложно видеть, что поскольку диагонали четырёхугольника перпендикулярны и он отличен от дельтоида, то на диагонали существует ровно одна подходящая точка - это точка пересечения диагоналей. Таким образом, точка лежит на диагонали .

Для решения задачи теперь необходимо проделать те же выкладки, но в обратном порядке.
Сфера вписана в трёхгранный угол , отсюда

Обозначим точки касания вписанных в тетраэдры и сфер с гранью через и соответственно. Тогда, записав по лемме 1.1 углы и , получим

что верно, откуда лучи и совпадают. Аналогично доказывается, что лучи и
совпадают, откуда следует, что точки и совпадают, то есть сферы касаются.
Второй способ. Рисунок ко второму способу решения задачи 6

Пусть точка на плоскости такова, что , а также
лежит в той же полуплоскости относительно прямой , что и точки и . Аналогично построим
точки , , .
Как и первом решении, при помощи леммы из касания вписанных сфер тетраэдров
и получим равенства

Отметим, что из неравенства треугольника для плоских углов трёхгранного угла следует, что обе
данные величины положительны. Также заметим, что для решения задачи досаточно обосновать
аналогичные равенства

По построению . В силу отмеченных выше равенств углов и их положительности

Значит, точки и симметричны относительно прямой . Аналогично получаем, что и
симметричны относительно прямой .
Пусть точка симметрична относительно . Поскольку по условию у нет равных
сторон, точка отлична от . Тогда из симметрии получаем, что
.
Поскольку , отсюда вытекает, что треугольники и (возможно,
вырожденные) равны по трём сторонам.
Получаем, что точки и симметричны относительно прямой (или совпадают). Значит,
, откуда, аналогично рассуждению выше, следует равенство $$\angle SDA-\angle BDA=\angle SDC-\angle CDB.$$ Второе искомое равенство углов доказывается аналогично.
Третий способ.

Лемма 2.1. Сфера касается двух плоскостей, проходящих через точки и , в точках и . Тогда треугольники и совмещаются поворотом относительно прямой , который
переводит плоскость в плоскость .
Доказательство. Данное утверждение вытекает из доказательства леммы 1.1.

Лемма 2.2. Дана четырёхугольная пирамида . Сферы и , вписанные в тетраэдры и соответственно, касаются грани в точках и , а грани в точках и соответственно. Тогда .
Доказательство. Из леммы следует, что при повороте относительно прямой , который
переводит плоскость в плоскость , точка переходит в , а точка — в ,
откуда вытекает искомое утверждение.
Обозначим вписанные сферы тетраэдров , , , через , , , соответственно, их центры — , , , соответственно, а их точки касания с плоскостью
— , , , соответственно. Пусть, как и в первом решении, сферы и касаются в точке . По теореме об отрезках касательных имеют место равенства отрезков ,
. Значит, точки и симметричны относительно прямой .
Обозначим точки касания с плоскостями и через и , точку касания с — через , а точку касания с — через . По лемме имеют место
равенства треугольников: и . Поскольку пары треугольников
, и , совмещаются поворотом вокруг прямой , при котором плоскость
переходит в плоскость , то . Из леммы получаем также равенства
и . Собирая указанные равенства вместе, получаем .
Проведя аналогичное рассуждение для сфер , и , покажем, что . Отсюда
следует, что точки и лежат на серединном перпендикуляре к отрезку , то есть, как
показано выше, на прямой .
Рассмотрим плоскость , проходящую через и перпендикулярную плоскости основания
пирамиды . Так как точки касания сфер и с — точки и — лежат на ,
то центры и лежат в . Это означает, что прямые и пересекаются в некоторой точке,
которую мы обозначим (обе точки и лежат в части плоскости , ограниченной прямыми,
перпендикулярными плоскости , проходящими через и , поэтому точка действительно
существует). Поскольку точки прямой равноудалены от плоскостей , и ,
а точки прямой равноудалены от плоскостей , и , то равноудалена от
плоскостей всех граней пирамиды и лежит внутри неё. Значит, в можно вписать
сферу, причём — центр этой вписанной сферы.
Докажем, что прямые и не параллельны.
Доказательство. Если , то — прямоугольник, в котором точка касания
сфер и является серединой отрезка . В таком случае лежит в плоскости , проходящей через середину и перпендикулярной этому отрезку, а сферы и симметричны относительно . Тогда пары плоскостей граней , и , также симметричны
относительно , откуда следует, в частности, что , , что противоречит условию.
Так как — центр вписанной сферы, то через эту точку также проходят лучи , . Отсюда
следует, что точки лежат в одной плоскости. Поскольку ортогональная проекция прямой на плоскость — прямая — как показано выше, перпендикулярна прямой , то
. По условию задачи . Так как прямые и не параллельны, получаем,
что плоскость перпендикулярна . Отсюда следует, что точки касания и лежат
на прямой .
Для завершения решения достаточно, как и в концовке первого способа, воспользовавшись леммой , обосновать равенства углов и .

Похожие задачи

МОШ 2022, 11 класс, задача 4

Звездолёт находится в полупространстве на расстоянии a от его границы. Экипаж знает об этом, но не представляет, в каком направлении двигаться, чтобы достигнуть граничной плоскости. Звездолёт может лететь в пространстве по любой траектории, измеряя длину пройденного пути, и имеет датчик, подающий си

МОШ 2023, 11 класс, задача 5

Середины всех высот некоторого тетраэдра лежат на его вписанной сфере. Верно ли, что тетраэдр правильный? (М. А. Евдокимов)

МОШ 2026, 11 класс, задача 1

Можно ли расставить в вершинах и в серединах рёбер правильного октаэдра по одному натуральному числу от 1 до 18 так, чтобы все числа были различны, а в каждой вершине стояло число, равное сумме четырёх чисел, стоящих в серединах исходящих из этой вершины рёбер? (М. Евдокимов)

МОШ 2023, 11 класс, задача 5

В выпуклом многограннике обозначим через B, P и T соответственно число вершин, рёбер и максимальное число треугольных граней, которые имеют общую вершину. Докажите, что B√(P + T) ge 2P. Например, для тетраэдра (B = 4, P = 6, T = 3) выполняется равенство, а для треугольной призмы (B = 6, P = 9, T = 1