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2024 年江苏预赛
F3填空题立体几何综合
三棱锥 P−ABC 中,三条侧棱 PA,PB,PC 两两不等,且相互之间夹角都是 π/3。若底面 △ABC 的三边长分别为 3,7,7,则该三棱锥的体积为。
作答
分数写 a/b,根号写 √ 或 sqrt,π 写 pi 也可以。
解析
思路
用三条侧棱长度表示底边;两个底边相等而侧棱不等,会迫使一条侧棱等于另两条之和。
解答
不妨设 AB=AC=7,BC=3,并记 PA=p,PB=q,PC=r。由余弦定理,
p2+q2−pq=p2+r2−pr=7,q2+r2−qr=3.
前两个等式相减得 (q−r)(q+r−p)=0。由侧棱两两不等,q=r,故 p=q+r。于是
q2+qr+r2=7,q2−qr+r2=3.
相减得 qr=2,再得 q+r=3,所以 {q,r}={1,2} 且 p=3。
三条棱向量 PA,PB,PC 的 Gram 行列式为
detp2pq/2pr/2pq/2q2qr/2pr/2qr/2r2=21p2q2r2.
故体积
V=6121p2q2r2=62pqr=22.
复核
侧棱 1,2,3 两两不等,并确实生成平方为 3,7,7 的三条底边。
方法总结
若干空间向量的长度与夹角均已知时,Gram 行列式可直接给出平行六面体体积。
为什么评为 F3(会透露解法方向)
底面两等边的式子作差后必须利用侧棱互异排除q=r,得到p=q+r并锁定三侧棱,再计算体积。
用到的方法(会透露解法方向)
核心工具:正弦定理与余弦定理、行列式与面积、体积比
专题卡:等底等高、仿射坐标与体积比