Question

【題目】設(shè)三棱錐的每個頂點(diǎn)都在球的球面上，是面積為的等邊三角形，，，且平面平面.

（1）確定的位置（需要說明理由），并證明：平面平面.

（2）與側(cè)面平行的平面與棱，，分別交于，，，求四面體的體積的最大值.

Answer 1

【答案】（1）在上，理由見解析，證明見解析，（2）

【解析】

（1）取的中點(diǎn)，連接，可證在線段上，且平面，從而得到平面平面.

（2）設(shè)，可證，利用導(dǎo)數(shù)可求體積的最大值.

（1）證明：取的中點(diǎn)，連接，取點(diǎn)為的三等分點(diǎn)且，

連接.

因?yàn)?/span>，所以.

又平面平面，平面平面，平面，

所以平面.

因?yàn)?/span>平面，故.

因?yàn)?/span>為等腰直角三角形，為的中點(diǎn)，故，

因?yàn)?/span>，，

故，故，同理，

因?yàn)?/span>是等邊三角形，故為的中心，故，

故為三棱錐的外接球的球心，

故與重合即在線段上且.

因?yàn)?/span>在上，所以平面，

又平面，所以平面平面.

（2）由題意得，解得，

因?yàn)?/span>為等腰直角三角形，為的中點(diǎn)，故，

而平面平面，平面平面，

平面，故平面，故為點(diǎn)到平面的距離.

在等腰直角三角形中，即到平面的距離.

設(shè)，到平面的距離為.

因?yàn)槠矫?/span>平面，平面平面，平面平面，

故，同理，因?yàn)?/span>方向相同，故，

同理，

所以，則的面積為.

又，所以到平面的距離為，

所以四面體的體積.

設(shè)，，

當(dāng)時，；當(dāng)時，.

所以在為增函數(shù)，在為減函數(shù)，

所以，

即四面體的體積的最大值為.