Подготовка к контрольной работе по математике

Вписанные и описанные многогранники

Выпуклый многогранник называется вписанным , если все его вершины лежат на некоторой сфере. Эта сфера называется описанной для данного многогранника.

Выпуклый многогранник называется описанным , если все его грани касаются некоторой сферы. Эта сфера называется вписанной для данного многогранника.

При рассмотрении понятий вписанной и описанной сферы обнаруживается аналогия с понятием вписанной и описанной окружности. Однако, если в любой треугольник можно вписать окружность и около любого треугольника можно описать окружность, то не всякий многогранник является вписанным или описанным. Несмотря на это, оказывается, что пространственный аналог треугольника – треугольная пирамида, тем не менее, всегда имеет единственную вписанную и описанную сферу. Докажем это.

Теорема 5.6. Теорема об описанной сфере треугольной пирамиды.

Треугольная пирамида имеет единственную описанную сферу.

Доказательство
1
Рисунок 5.6.1.

Поступим аналогично доказательству существования единственной окружности, описанной около данного треугольника. В данной пирамиде ABCD построим плоскости, перпендикулярные соответственно ребрам AB , AC и AD и проходящие через их середины. Эти плоскости будут равноудалены от точек A  и  B , A  и  C , A  и  D соответственно, поскольку геометрическим местом точек, равноудаленных от концов данного отрезка, является плоскость, проходящая через его середину и перпендикулярная ему. Обозначим точку пересечения этих плоскостей через O . Докажем, что эта точка существует и единственна. Действительно, две из этих плоскостей пересекаются по прямой l , поскольку они перпендикулярны двум непараллельным прямым. Эта прямая перпендикулярна к плоскости ABC . Плоскость, перпендикулярная AD , не параллельна l и не содержит ее, поскольку в противном случае прямая AD перпендикулярна l , то есть лежит в плоскости ABC . Итак, точка O равноудалена от всех вершин треугольной пирамиды, значит эта точка является центром описанной сферы. Тем самым доказано существование такой сферы.

Докажем теперь ее единственность. Заметим, что центр любой другой сферы, проходящей через все вершины пирамиды, равноудален от всех этих вершин и, значит, принадлежит всем плоскостям, проходящим через середины ребер перпендикулярно последним. А это и означает, что центр такой сферы и точка O совпадают.
Метод вспомогательных секущих плоскостей