每日一题[451]阿波罗尼斯球

在四面体$ABCD$中,已知$AD\perp BC$,$AD=6$,且$\dfrac{AB}{BD}=\dfrac{AC}{CD}=2$,则四面体$ABCD$的体积的最大值为_______.


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分析与解    由于$\dfrac{AB}{BD}=\dfrac{AC}{CD}=2$,于是$B,C$在以$EF$为直径的球$O$的表面上,其中$$\overrightarrow{AE}=2\overrightarrow{ED},\overrightarrow{AF}=-2\overrightarrow{FD}.$$

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过$BC$作与$AD$垂直的平面得到圆$H$,则$H$必然在直线$AD$上.此时四面体$ABCD$的体积为$$\dfrac 13S_{\triangle BCH}\cdot AD= BH^2\cdot\sin \angle BHC\leqslant 16,$$等号当$BH=4$且$\angle BHC=90^\circ$时取得,也即$H=O$,$\angle BOC$为直角时取得.因此四面体$ABCD$的体积的最大值为$16$.

   此题即每日一题[39]阿波罗尼斯圆的升级版本.在平面上,满足$\dfrac {AB}{BD}=2$的动点$B$的轨迹为阿波罗尼斯圆,如下:

屏幕快照 2016-03-31 上午11.14.12

故点$B$到$AD$的距离的最大值为该圆的半径$4$,当$H$与球心$O$重合,且二面角$C-AD-B$为直二面角时,四面体体积取到最大值.

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