每日一题[3039]三射线定理

在等腰梯形 $A B C D$ 中,$A D\parallel BC$,$A B=A D=C D=\dfrac{1}{2} B C$,$A C$ 交 $B D$ 于 $O$ 点,$\triangle A B D$ 沿着直线 $B D$ 翻折成 $\triangle A_1 B D$,所成二面角 $A_1-B D-C$ 的大小为 $\theta$,则下列选项中正确的是(       )

A.$\angle A_1 B C \leqslant \theta$

B.$\angle A_1 O C \geqslant \theta$

C.$\angle A_1 D C \leqslant \theta$

D.$\angle A_1 B C+\angle A_1 D C \geqslant \theta$

答案    ABD.

解析    设 $BC$ 的中点为 $P$,则 $A_1$ 在底面 $ABCD$ 上的投影 $H$ 的轨迹为线段 $AP$,如图.

根据三射线定理,有\[\cos\angle A_1BC=\cos\angle A_1BD\cos\angle DBC+\sin\angle A_1BD\sin\angle DBC\cos\theta=\dfrac 34+\dfrac14\cos\theta\geqslant \cos\theta,\]从而 $\angle A_1BC\leqslant \theta$,选项 $\boxed{A}$ 正确.

而\[\cos\angle A_1OC=\cos\angle A_1OB\cos\angle BOC+\sin\angle A_1OB\sin\angle BOC\cos\theta=-\dfrac14+\dfrac 34\cos\theta\leqslant \cos\theta,\]从而 $\angle A_1OC\geqslant \theta$,选项 $\boxed{B}$ 正确.

而\[\cos\angle A_1DC=\cos\angle A_1DB\cos\angle BDC+\sin\angle A_1DB\sin\angle BDC\cos\theta=\dfrac12\cos\theta,\]因此当 $0^\circ\leqslant \theta<90^\circ$ 时,$\angle A_1DC>\theta$;当 $\theta=90^\circ$ 时,$\angle A_1DC=\theta$;当 $90^\circ< \theta \leqslant 180^\circ$ 时,$\angle A_1DC<\theta$,选项 $\boxed{C}$ 错误.

对于选项 $\boxed{D}$,若 $\theta\leqslant 90^\circ$,则 $\angle A_1DC\geqslant \theta$,命题成立;若 $\theta>90^\circ$,考虑到\[f(x)=\arccos\dfrac{3+\cos x }4,\quad g(x)=\arccos\dfrac{\cos x}2,\]均为上凸函数,于是 $h(x)=f(x)+g(x)-x$ 为上凸函数,而\[h\left(\dfrac{\pi}2\right)=\arccos\dfrac 34>0,\quad h(\pi)=0,\]因此 $h(x)\geqslant 0$,命题成立.(也可以证明 $\beta\geqslant \dfrac{\theta+\pi}3$,$\alpha\geqslant \dfrac{2\theta-\pi}3$)

综上所述,正确的选项是 $\boxed{A}$ $\boxed{B}$ $\boxed{D}$.

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