2020 AIME II 第 7 题
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7.
两个全等的直圆锥,底面半径均为 ,高均为 。它们的对称轴在两圆锥内部一点垂直相交,且该点到每个圆锥底面的距离都是 。一个半径为 的球同时位于两个圆锥内部。 的最大可能值为 ,其中 与 是互质正整数。求 。
Two congruent right circular cones each with base radius and height have axes of symmetry that intersect at right angles at a point in the interior of the cones a distance from the base of each cone. A sphere with radius lies within both cones. The maximum possible value of is where and are relatively prime positive integers. Find
答案:298
解答:
把两轴交点作为原点,并沿两条轴量取有向坐标 。沿某个圆锥的轴,它的顶点距离原点 ,底面平面在另一侧距离 处。任何经过轴的平面截该圆锥都会得到一个三角形; 用坐标 表示,其中 为到轴的距离,则其斜边经过 和 ,方程为 。
若半径为 的球心对该轴的轴向坐标为 ,到该轴的距离为 ,它能放入该圆锥内的条件是 截面圆能放入上述三角形,所以 。由于两条轴互相垂直,球心到轴 的距离至少为 ,反之亦然。把两个约束相加, 因为 。因此 。
以原点为球心、半径为 的球可以达到这个界:它到每个斜面的距离都是 , 且它到每个底面平面的距离 更大。所以 的最大值是 , 。
Put the origin at the point where the axes cross, and measure signed coordinates along the two axes. Along its axis, each cone has its apex at distance from the origin and its base plane at distance on the other side. Slicing a cone by any plane through its axis gives a triangle whose slant side, in coordinates with the distance from the axis, is the line through and namely
A sphere of radius centered at a point with axial coordinate and distance from the axis fits inside that cone only if its cross-section fits inside the triangle, so Since the two axes are perpendicular, the distance from the center to axis is at least and vice versa. Adding the two constraints, because Hence
The sphere of radius centered at the origin achieves this: its distance to each slant surface is and its distance to each base plane is larger. So the maximum of is and
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