1995 AIME 第 12 题

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12.

棱锥 OABCDOABCD 的底面 ABCDABCD 是正方形,棱 OA‾\overline{OA}、OB‾\overline{OB}、OC‾\overline{OC}、OD‾\overline{OD} 全等,并且 ∠AOB=45∘\angle AOB=45^\circ。设 θ\theta 为面 OABOAB 和面 OBCOBC 所成二面角的度数。已知 cos⁡θ=m+n\cos\theta=m+\sqrt n,其中 mm 和 nn 是整数,求 m+nm+n。

Pyramid OABCDOABCD has square base ABCD,ABCD, congruent edges OA‾,\overline{OA}, OB‾,\overline{OB}, OC‾,\overline{OC}, and OD‾,\overline{OD}, and ∠AOB=45∘.\angle AOB=45^\circ. Let θ\theta be the measure of the dihedral angle formed by faces OABOAB and OBC.OBC. Given that cos⁡θ=m+n,\cos\theta=m+\sqrt n, where mm and nn are integers, find m+n.m+n.

答案:5
知识点:立体几何坐标几何向量
难度评级:2450
小提示:

将正方形的顶点置于 (±1,±1,0)(\pm1,\pm1,0),并将棱锥顶点置于 (0,0,h)(0,0,h)

Place the square’s vertices at (±1,±1,0)(\pm1,\pm1,0) and the apex at (0,0,h)(0,0,h)

大提示:

求 h2h^2 时利用 ∠AOB\angle AOB,再取合适面法向量夹角的补角

Find h2h^2 from ∠AOB,\angle AOB, then take the supplement of the angle between suitable face normals

解答:

取相邻的底面顶点 A=(1,1,0)A=(1,1,0)、B=(−1,1,0)B=(-1,1,0)、C=(−1,−1,0)C=(-1,-1,0),并令 O=(0,0,h)O=(0,0,h)。由 ∠AOB=45∘\angle AOB=45^\circ,h2h2+2=12,h2=2+22。\begin{aligned}\frac{h^2}{h^2+2}&=\frac1{\sqrt2},\\h^2&=2+2\sqrt2\end{aligned}\text{。}两个面的法向量可分别取为 (0,2h,2)(0,2h,2) 和 (−2h,0,2)(-2h,0,2)。它们所成锐角的余弦为 1h2+1=3−22\frac{1}{h^2+1}=3-2\sqrt2。内部二面角是这个角的补角,所以 cos⁡θ=22−3=−3+8。\cos\theta=2\sqrt2-3=-3+\sqrt8\text{。}因此 m+n=−3+8=5m+n=-3+8=5。

Take adjacent base vertices A=(1,1,0),A=(1,1,0), B=(−1,1,0),B=(-1,1,0), C=(−1,−1,0)C=(-1,-1,0) and O=(0,0,h).O=(0,0,h). From ∠AOB=45∘,\angle AOB=45^\circ, h2h2+2=12,h2=2+22.\begin{aligned}\frac{h^2}{h^2+2}&=\frac1{\sqrt2},\\h^2&=2+2\sqrt2.\end{aligned} Normals to the two faces may be taken as (0,2h,2)(0,2h,2) and (−2h,0,2).(-2h,0,2). Their acute angle has cosine 1h2+1=3−22.\frac{1}{h^2+1}=3-2\sqrt2. The interior dihedral angle is its supplement, so cos⁡θ=22−3=−3+8.\cos\theta=2\sqrt2-3=-3+\sqrt8. Thus m+n=−3+8=5.m+n=-3+8=5.

第 11 题#11
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