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如图所示, 已知四棱锥 P−ABCD, PC⊥ 平面 ABCD. 点 E 为 PA 的中点, EF⊥PB, EG⊥PD, 垂足分别为 F,G, PC=2, PA=22, EF=EG=1.

  1. 证明: PA⊥FG.
  2. 若 PC// 平面 EBD, 设二面角 B−AP−D 的平面角为 θ, 且 θ 为钝角, 求 cos⁡θ 的最大值.
  3. 若 BD//FG, 点 P,A,B,D 都在同一个球面 C 上且给定该球的半径时, 三棱锥 P−BCD 的体积有 3 个可能的值, 求该球半径的取值范围.
解答

  1. 证明 如图 1. 作 PE 的中点 H. 注意到 PE=12PA=2, 且 EG=EF=1, 故 ΔPGE, ΔPFE 为等腰直角三角形, 从而 GH⊥PA, FH⊥PA. 又因为 GH,FH⊂ 平面 GHF, 且 GH∩HF=H, 故 PA⊥ 平面 GHF. 而 FG⊂GHF, 所以 PA⊥FG.
  2. 解 以 C 为原点, CA→ 为 x 轴, CP→ 为 z 轴建立空间直角坐标系. 则 A(2,0,0), P(0,0,2), E(1,0,1). 根据 PC// 平面 EBD, 容易得到 BD 经过 E 在 xOy 上的投影 K(1,0,0). (留给读者参考图 2 自行证明)
    设 B(x,y,0). 接下来我们确定 B 的轨迹. 在 1 中我们得到了 ∠APB=45∘, 也即 cos⁡∠APB=PA→⋅PB→|PA→|⋅|PB→|=2x+422x2+y2+4=22⇒y2=4x, 这说明 B,D 都在以 K 为焦点的平面 xOy 上的抛物线 y2=4x 上!
    接下来设 B(t12,2t1,0), D(t22,2t2,0). 上面我们分析过 BD 经过 K, 因此设 lBD:x=ty+1. 与抛物线 y2=4x 联立 (参考图 3), 容易得到 t1t2=−4.
    接下来我们来计算二面角. 根据 1 的准备工作, cos⁡θ=cos⁡∠GHF=GH2+HF2−GF22GH⋅HF=1−GF2. 而 PF=1, 因此 PF→=PB→PB=(t12T1,2t1T1,−2T1), 这里 T1=PB=t14+4t12+4. 同理有 PE→. 这样EF2=(PF→−PE→)2=(t12T1−t22T2)2+4(t1T1−t2T2)2+4(1T1−1T2)2=∑i=12ti4+4ti2+4Ti2−8T1T2=2−8T1T2, 这里用到了 t1t2=−4. 再由柯西不等式 T12T22=(t14+4t12+4)(t24+4t22+4)≥(t12t22+4|t1t2|+4)2=362. 综合以上, cos⁡θ=8T1T2−1≤−79.
  3. 解 因为 BD//FG, 结合 1 的 PA⊥FG, 有 BD⊥AC (读者自证不难). 结合 2 的抛物线轨迹, 可以得到 B,D 的对称关系: B(x,y,0), D(x,−y,0). (参考图 4)
    先来确定球心的位置. 根据对称性容易看出, 球心 O 只能在 (u,0,u) 的位置, 这样根据 OP=OB, 有 r2=(2−u)2+u2=(x−u)2+y2+u2, 解得 u=x2+y2−42x−4=x2+4x−42x−4. 翻译一下条件, 也就是给定 r=r0, VP−BCD=23x|y|=83x3 有三个解, 也即有三个不同的正数 x 让 r=r0.
    我们现在捋一下我们有的方程 {r=(2−u)2+u2=2(u−1)2+2,u=x2+4x−42x−4, 用二图法(图 5)容易看出只需要 r0>2(u0−1)2+2, 这里的 u0 用 u0=x2+4x−42x−4 然后令判别式为 0 就可以算出, 是 4+22, 所以 r 的最小值是 2(u0−1)2+2=36+242=2(3+6).
    综上综上综上, r∈(2(3+6),+∞).
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