2021 AIME II 第 10 题
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10.
两个半径为 的球和一个半径为 的球两两外切,并且都与两个不同的平面 和 相切。平面 与 的交线为 。从线 到半径为 的球与平面 的切点的距离为 ,其中 和 是互质正整数。求 。
Two spheres with radii and one sphere with radius are each externally tangent to the other two spheres and to two different planes and The intersection of planes and is the line The distance from line to the point where the sphere with radius is tangent to plane is where and are relatively prime positive integers. Find
答案:335
解答:
半径为 且与两个平面相切的球,其球心在二面角的平分半平面上。若二面角为 ,则球心到 的距离为 。在过球心且垂直于 的截面中, 上的点、球心和平面 上的切点形成一个直角三角形, 在 处的角为 ,所以切点到 的距离为 。
沿 方向测量位置。两个半径 的球的球心到 的距离都为 ,且两个球心相距 ,所以它们沿 方向相差 。由对称性,半径 的球心沿 方向位于它们的中点,且到 的距离为 。它与每个大球外切,所以到每个大球心的距离为 :因此 。由于 ,可得 ,。
所求距离为 ,已经是最简形式,所以 。
A sphere of radius tangent to both planes has its center on the half-plane bisecting the dihedral angle. If the dihedral angle is the center is at distance from In the cross-section through the center perpendicular to the point of the center, and the tangent point on form a right triangle with angle at so the tangent point lies at distance from
Measure positions along The centers of the two radius- spheres are both at distance from and are apart, so they differ by along and by symmetry the radius- center sits halfway between them along at distance from External tangency makes its distance to each big center so Since we get and
The required distance is which is in lowest terms, so
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