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2023 年贵州预赛
F3填空题立体几何综合
已知正四面体 P−ABC 中,D,E,F 分别在棱 PA,PB,PC 上。若 PE=PF,且 DE=DF=7,EF=2,则四面体 P−DEF 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
正四面体从同一顶点出发的三条棱两两成 60∘,用三条截取长度直接列余弦定理。
解答
记 PD=x,PE=y,PF=z。由三条棱两两夹角为 60∘,
x2+y2−xy=7,x2+z2−xz=7,y2+z2−yz=4.
前两式相减得 (y−z)(x−y−z)=0。因 y=z,故 x=y+z。 代回前两式可得
y2+yz+z2=7,y2−yz+z2=4,
从而 yz=3/2,(y+z)2=17/2。三个单位棱向量的 Gram 行列式为
det11/21/21/211/21/21/21=21.
故
VP−DEF=62xyz=62(y+z)yz=817.
复核
由 (y−z)2=y2+z2−2yz=5/2>0,所得长度确实满足 PE=PF。
方法总结
正四面体内从同一顶点截取三点时,边长关系由 60∘ 余弦式统一表示,体积由 Gram 行列式给出。
为什么评为 F3(会透露解法方向)
利用两截边等长而PE不等于PF消去分支得PD=PE+PF,求三棱乘积后按固定夹角体积比例计算。
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