Trang chủ Lớp 12 SBT Toán 12 Nâng cao Bài 17 trang 56 SBT Hình 12 Nâng Cao: Trong số các...

Bài 17 trang 56 SBT Hình 12 Nâng Cao: Trong số các hình chóp tam giác đều ngoại tiếp...

Trong số các hình chóp tam giác đều ngoại tiếp . Bài 17 trang 56 Sách bài tập Hình học lớp 12 Nâng cao – Bài 1. Mặt cầu khối cầu

Trong số các hình chóp tam giác đều ngoại tiếp một mặt cầu bán kính r cho trước, tìm hình chóp có diện tích toàn phần nhỏ nhất.

Kí hiệu cạnh đáy của hình chóp là a, chiều cao là h, thể tích khối chóp là V, diện tích toàn phần là Stp thì \(r = {{3V} \over {{S_{tp}}}}\), tức là \({S_{tp}} = {{3V} \over r}\). Vậy Stp nhỏ nhất khi và chỉ khi V nhỏ nhất.

Mặt khác, cũng từ hệ thức \({S_{tp}} = {{3V} \over r}\), ta có hệ thức liên hệ giữa a, hr

\(\eqalign{  & r = {{ah} \over {a + \sqrt {{a^2} + 12{h^2}} }}\;\;\;\;(1)  \cr  & \left( {V = {1 \over 3}.{{{a^2}\sqrt 3 } \over 4}.h = {{\sqrt 3 } \over {12}}{a^2}.h} \right). \cr} \)

Gọi M là trung diểm của BC và đặt \(\widehat {SMH}\) =\(\varphi \)  (đó là góc giữa mp(SBC)mp(ABC), cũng là góc giữa mặt bên và mặt đáy của hình chóp). Khi ấy

\(h = {{a\sqrt 3 } \over 6}\tan \varphi \;\;\;\;(2)\)

Thay (2) vào (1), ta có \(a = {{6r(\cos \varphi  + 1)} \over {\sqrt 3 \sin \varphi }},\) từ đó thay vào (2), ta có \(h = {{r(\cos \varphi  + 1)} \over {\cos \varphi }}\)

Quảng cáo

Suy ra \({a^2} = 12{r^2}{{1 + \cos \varphi } \over {1 – \cos \varphi }},\)

Vậy

 \(\eqalign{   V& = {{\sqrt 3 } \over {12}}.12{r^2}.{{1 + \cos \varphi } \over {1 – \cos \varphi }}.r.{{1 + \cos \varphi } \over {\cos \varphi }}  \cr  &  = \sqrt 3 .{r^3}{{{{(1 + \cos \varphi )}^2}} \over {{\rm{cos}}\varphi {\rm{(1 – cos}}\varphi {\rm{)}}}} = \sqrt 3 .{r^3}{{{{(1 + t)}^2}} \over {t(1 – t)}} \cr} \)

với \(0<t=cos\varphi  <1\).

Xét hàm số \(f(t) = {{{{(1 + t)}^2}} \over {t(1 – t)}},0 < t < 1,\) thì V nhỏ nhất khi và chỉ khi f(t) nhỏ nhất.

Ta có:

\(\eqalign{
 f'(t) &= {{2\left( {1 + t} \right)t\left( {1 – t} \right) – {{\left( {1 + t} \right)}^2}\left( {1 – 2t} \right)} \over {{t^2}{{\left( {1 – t} \right)}^2}}} \cr
& = {{2\left( {t – {t^3}} \right) – \left( {1 – 3{t^2} – 2{t^3}} \right)} \over {{t^2}{{\left( {1 – t} \right)}^2}}} \cr
& = {{3{t^2} + 2t – 1} \over {{t^2}{{\left( {1 – t} \right)}^2}}} \cr} \)

\(f'(t) = 0 \Leftrightarrow t = {1 \over 3}.\)

Xét bảng biến thiên sau

Vậy f(t) đạt giá trị nhỏ nhất khi và chỉ khi \(t = {1 \over 3}\), tức là \(\cos \varphi  = {1 \over 3}.\) Khi đó h=4r, \(\tan \varphi  = 2\sqrt 2 ,\) từ đó \(a = 2r\sqrt 6 .\)

Vậy khi \(a = 2r\sqrt 6 \), \(h=4r\) thì diện tích toàn phần của hình chóp đạt giá trị nhỏ nhất.

Quảng cáo