2022 AIME I 第 10 题
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10.
三个半径分别为 、、 的球两两外切。一个平面与这三个球相交,得到三个全等圆,它们的圆心分别为 、、,并且三个球的球心都在该平面的同一侧。已知 。求 。
Three spheres with radii and are mutually externally tangent. A plane intersects the spheres in three congruent circles centered at and respectively, and the centers of the spheres all lie on the same side of this plane. Suppose that Find
小提示:
若球心在平面上方高度为 ,球与平面截得的圆的半径平方为 ;三个截圆全等会关联三个高度
If a sphere’s center sits at height above the plane, its circle has radius squared congruence ties the three heights together
大提示:
与 是球心在平面上的垂足,所以 ;再结合
and are the feet of the centers, so combine with
解答:
设三个球心到平面的高度分别为 。每个截圆的圆心是对应球心到平面的垂足,公共截圆半径 满足 。
前两个球相切,所以球心相距 。投影到平面上,有 。因此 。截圆全等给出 ,所以 且 (另一个符号会给出负的和),得到 、,并且 。于是 ,所以 。
第一和第三个球心相距 ,所以
Let the sphere centers be at heights above the plane. Each circle’s center is the foot of the perpendicular from the sphere’s center, and the common circle radius satisfies
The first two spheres are tangent, so their centers are apart, and projecting onto the plane, Thus Congruence gives so and (the other sign gives a negative sum), yielding and Then so
The first and third centers are apart, so
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