2007 AIME I Problema 13

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13.

Una pirámide de base cuadrada con base ABCDABCD y vértice EE tiene ocho aristas de longitud 4.4. Un plano pasa por los puntos medios de AE,\overline{AE}, BC,\overline{BC}, y CD.\overline{CD}. La intersección del plano con la pirámide tiene un área que puede expresarse como p.\sqrt{p}. Halla p.p.

A square pyramid with base ABCDABCD and vertex EE has eight edges of length 4.4. A plane passes through the midpoints of AE,\overline{AE}, BC,\overline{BC}, and CD.\overline{CD}. The plane's intersection with the pyramid has an area that can be expressed as p.\sqrt{p}. Find p.p.

Respuesta: 80
Conceptos:Geometría 3Dpirámidegeometría analíticadescomposición de áreas
Nivel de dificultad: 3060
Solución:

Coloca la base en A=(0,0,0),A = (0,0,0), B=(4,0,0),B = (4,0,0), C=(4,4,0),C = (4,4,0), D=(0,4,0);D = (0,4,0); el ápice es entonces E=(2,2,22),E = (2, 2, 2\sqrt{2}), ya que 22+22+8=16.2^2 + 2^2 + 8 = 16. Los puntos medios dados son R=(1,1,2),R = (1, 1, \sqrt{2}), S=(4,2,0),S = (4, 2, 0), y T=(2,4,0),T = (2, 4, 0), y los tres satisfacen x+y+22z=6,x + y + 2\sqrt{2}\,z = 6, la ecuación del plano de corte.

Parametrizando las aristas BE\overline{BE} y DE\overline{DE} se ve que el plano las corta en U=(72,12,22)U = \left(\frac{7}{2}, \frac{1}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right) y V=(12,72,22).V = \left(\frac{1}{2}, \frac{7}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right). La sección transversal es el pentágono RUSTVRUSTV con RU=RV=7,RU = RV = \sqrt{7}, US=VT=3,US = VT = \sqrt{3}, ST=22,ST = 2\sqrt{2}, y diagonal UV=32.UV = 3\sqrt{2}.

Divide el pentágono a lo largo de UV.\overline{UV}. El triángulo isósceles RUVRUV tiene altura 792=52\sqrt{7 - \frac{9}{2}} = \sqrt{\frac{5}{2}} y área 123252=352.\frac{1}{2} \cdot 3\sqrt{2} \cdot \sqrt{\frac{5}{2}} = \frac{3\sqrt{5}}{2}. El trapecio isósceles USTVUSTV tiene altura 312=52\sqrt{3 - \frac{1}{2}} = \sqrt{\frac{5}{2}} y área 12(32+22)52=552.\frac{1}{2}(3\sqrt{2} + 2\sqrt{2})\sqrt{\frac{5}{2}} = \frac{5\sqrt{5}}{2}. El total es 45=80,4\sqrt{5} = \sqrt{80}, así que p=80.p = 80.

Place the base at A=(0,0,0),A = (0,0,0), B=(4,0,0),B = (4,0,0), C=(4,4,0),C = (4,4,0), D=(0,4,0);D = (0,4,0); the apex is then E=(2,2,22),E = (2, 2, 2\sqrt{2}), since 22+22+8=16.2^2 + 2^2 + 8 = 16. The given midpoints are R=(1,1,2),R = (1, 1, \sqrt{2}), S=(4,2,0),S = (4, 2, 0), and T=(2,4,0),T = (2, 4, 0), and all three satisfy x+y+22z=6,x + y + 2\sqrt{2}\,z = 6, the equation of the cutting plane.

Parametrizing edges BE\overline{BE} and DE\overline{DE} shows the plane meets them at U=(72,12,22)U = \left(\frac{7}{2}, \frac{1}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right) and V=(12,72,22).V = \left(\frac{1}{2}, \frac{7}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right). The cross-section is the pentagon RUSTVRUSTV with RU=RV=7,RU = RV = \sqrt{7}, US=VT=3,US = VT = \sqrt{3}, ST=22,ST = 2\sqrt{2}, and diagonal UV=32.UV = 3\sqrt{2}.

Split the pentagon along UV.\overline{UV}. Isosceles triangle RUVRUV has height 792=52\sqrt{7 - \frac{9}{2}} = \sqrt{\frac{5}{2}} and area 123252=352.\frac{1}{2} \cdot 3\sqrt{2} \cdot \sqrt{\frac{5}{2}} = \frac{3\sqrt{5}}{2}. Isosceles trapezoid USTVUSTV has height 312=52\sqrt{3 - \frac{1}{2}} = \sqrt{\frac{5}{2}} and area 12(32+22)52=552.\frac{1}{2}(3\sqrt{2} + 2\sqrt{2})\sqrt{\frac{5}{2}} = \frac{5\sqrt{5}}{2}. The total is 45=80,4\sqrt{5} = \sqrt{80}, so p=80.p = 80.

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