每日一题:2026-06-06

题目

定义:多面体 MM 在点 PP 处的离散曲率为

ΦP=112π(Q1PQ2+Q2PQ3++Qk1PQk+QkPQ1)\Phi_P=1-\frac{1}{2\pi}\bigl(\angle Q_1PQ_2+\angle Q_2PQ_3+\cdots+\angle Q_{k-1}PQ_k+\angle Q_kPQ_1\bigr)

其中 PP 为多面体 MM 的一个顶点,QiQ_ii=1,2,,ki=1,2,\cdots,kk3k\ge3kNk\in\mathbf N^*)为多面体 MM 的所有与点 PP 相邻的顶点,且平面 Q1PQ2Q_1PQ_2、平面 Q2PQ3Q_2PQ_3\cdots、平面 Qk1PQkQ_{k-1}PQ_k 和平面 QkPQ1Q_kPQ_1 为多面体 MM 的所有以 PP 为公共点的面.如图,在四棱锥 PABCDP-ABCD 中,PDPD\perp 平面 ABCDABCD,底面 ABCDABCD 为正方形,CD=2CD=2DP=23DP=2\sqrt3

(1) 求四棱锥 PABCDP-ABCD 在顶点 CC 处的离散曲率;

(2) 求四棱锥 PABCDP-ABCD 内切球的表面积;

(3)QQ 是棱 PBPB 上的一个动点,求直线 CQCQ 与平面 ABCDABCD 所成角的取值范围.

参考解答

解析:

(1)顶点 CC 处的离散曲率

因为 PDPD\perp 平面 ABCDABCDCDCD\subset 平面 ABCDABCD,所以 PDCDPD\perp CD

tanDCP=PDCD=232=3DCP=π3\tan\angle DCP=\frac{PD}{CD}=\frac{2\sqrt3}{2}=\sqrt3\qquad\Longrightarrow\qquad\angle DCP=\frac{\pi}{3}

因为 PDPD\perp 平面 ABCDABCDBCBC\subset 平面 ABCDABCD,所以 PDBCPD\perp BC

BCCDBC\perp CDPDCD=DPD\cap CD=DPD,CDPD,\,CD\subset 平面 PCDPCD,所以 BCBC\perp 平面 PCDPCD

PCPC\subset 平面 PCDPCD,所以 BCPCBC\perp PC,即 PCB=π2\angle PCB=\dfrac{\pi}{2}

由离散曲率的定义得

ΦC=112π(DCB+PCB+DCP)=112π(π2+π2+π3)=13\begin{aligned} \Phi_C &= 1-\frac{1}{2\pi}\bigl(\angle DCB+\angle PCB+\angle DCP\bigr) \\ &= 1-\frac{1}{2\pi}\left(\frac{\pi}{2}+\frac{\pi}{2}+\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{3} \end{aligned}

(2)内切球的表面积

因为四边形 ABCDABCD 为正方形,则 ABADAB\perp AD

因为 PDPD\perp 平面 ABCDABCDABAB\subset 平面 ABCDABCD,则 ABPDAB\perp PD

因为 ADPD=DAD\cap PD=DAD,PDAD,\,PD\subset 平面 PADPAD,所以 ABAB\perp 平面 PADPAD

因为 PAPA\subset 平面 PADPAD,所以 ABPAAB\perp PA

设四棱锥 PABCDP-ABCD 的表面积为 S1S_1,则

S1=SPAD+SPCD+SPAB+SPBC+S正方形ABCD=2SPCD+2SPBC+S正方形ABCD=2×12×2×23+2×12×4×2+4=43+12\begin{aligned} S_1 &= S_{\triangle PAD}+S_{\triangle PCD}+S_{\triangle PAB}+S_{\triangle PBC}+S_{\text{正方形}ABCD} \\ &= 2S_{\triangle PCD}+2S_{\triangle PBC}+S_{\text{正方形}ABCD} \\ &= 2\times\frac12\times2\times2\sqrt3+2\times\frac12\times4\times2+4 \\ &= 4\sqrt3+12 \end{aligned}

设四棱锥 PABCDP-ABCD 的内切球半径为 rr,则由等体积法得

VPABCD=13S正方形ABCDPD=13S1rV_{P-ABCD}=\frac13 S_{\text{正方形}ABCD}\cdot PD=\frac13 S_1\cdot r

所以

r=S正方形ABCDPDS1=22×2343+12=31r = \frac{S_{\text{正方形}ABCD}\cdot PD}{S_1} = \frac{2^2\times2\sqrt3}{4\sqrt3+12} = \sqrt3-1

内切球的表面积

S2=4πr2=4π(31)2=(1683)πS_2 = 4\pi r^2 = 4\pi(\sqrt3-1)^2 = (16-8\sqrt3)\pi

(3)直线 CQCQ 与平面 ABCDABCD 所成角的取值范围

QQ 点作 QGPDQG\parallel PDBDBD 于点 GG,连接 CGCG

因为 PDPD\perp 平面 ABCDABCD,所以 QGQG\perp 平面 ABCDABCD

GCQ\angle GCQ 为直线 CQCQ 与平面 ABCDABCD 所成的角.

QQBB 重合时,GCQ=0\angle GCQ=0

QQBB 不重合时,设 BG=x (0<x22)BG=x\ (0<x\le 2\sqrt2)

BCG\triangle BCG 中,由余弦定理得

CG2=BC2+BG22BCBGcosDBC=4+x222x22=x222x+4\begin{aligned} CG^2 &= BC^2+BG^2-2\cdot BC\cdot BG\cdot\cos\angle DBC \\ &= 4+x^2-2\cdot2\cdot x\cdot\frac{\sqrt2}{2} \\ &= x^2-2\sqrt2 x+4 \end{aligned}

因为 QGPDQG\parallel PD,所以 BGQBDP\triangle BGQ\sim\triangle BDP

QGPD=BGBDQG=BGPDBD=x2322=62x\frac{QG}{PD}=\frac{BG}{BD}\quad\Longrightarrow\quad QG = \frac{BG\cdot PD}{BD} = \frac{x\cdot2\sqrt3}{2\sqrt2} = \frac{\sqrt6}{2}x

所以

tan2GCQ=QG2CG2=32x2x222x+4=32122x+4x2=32(2x22)2+12\begin{aligned} \tan^2\angle GCQ &= \frac{QG^2}{CG^2} = \frac{\dfrac32x^2}{x^2-2\sqrt2x+4} \\ &= \frac{\dfrac32}{1-\dfrac{2\sqrt2}{x}+\dfrac4{x^2}} = \frac{\dfrac32}{\left(\dfrac2x-\dfrac{\sqrt2}{2}\right)^2+\dfrac12} \end{aligned}

当分母 (2x22)2+12\left(\dfrac2x-\dfrac{\sqrt2}{2}\right)^2+\dfrac12 最小时,tan2GCQ\tan^2\angle GCQ 最大,

此时 x=22x=2\sqrt2QQPP 重合),

tan2GCQ3\tan^2\angle GCQ\le3tanGCQ3\tan\angle GCQ\le\sqrt3,即 GCQπ3\angle GCQ\le\dfrac{\pi}{3}

所以 GCQ\angle GCQ 的最大值为 π3\dfrac{\pi}{3}

故直线 CQCQ 与平面 ABCDABCD 所成角的取值范围为 [0,π3]\displaystyle\left[0,\frac{\pi}{3}\right]

答案:

  • (1) ΦC=13\displaystyle\Phi_C=\frac13
  • (2) 内切球表面积 (1683)π\displaystyle(16-8\sqrt3)\pi
  • (3) [0,π3]\displaystyle\left[0,\frac{\pi}{3}\right]