Một tháp trưng bày nghệ thuật có dạng khối chóp với đỉnh là và đáy là một hình bình hành. Chiều cao của tháp là 9 mét, diện tích đáy là . Trên mỗi mặt bên của tháp, người ta thiết kế đặt một đèn trang trí có vị trí tại đúng trọng tâm của mặt đó. Gọi , , và lần lượt là trọng tâm của các mặt bên , , và . Ngoài ra, hai cột trang trí được đặt tại các điểm và . Hãy giúp người kỹ sư tính thể tích không gian bên trong của khối đa diện lồi được tạo thành bởi các điểm , , , , và (làm tròn kết quả đến hàng phần trăm).
Một tháp trưng bày nghệ thuật có dạng khối chóp với đỉnh là và đáy là một hình bình hành. Chiều cao của tháp là 9 mét, diện tích đáy là . Trên mỗi mặt bên của tháp, người ta thiết kế đặt một đèn trang trí có vị trí tại đúng trọng tâm của mặt đó. Gọi , , và lần lượt là trọng tâm của các mặt bên , , và . Ngoài ra, hai cột trang trí được đặt tại các điểm và . Hãy giúp người kỹ sư tính thể tích không gian bên trong của khối đa diện lồi được tạo thành bởi các điểm , , , , và (làm tròn kết quả đến hàng phần trăm).
Đáp án chính thức: 5.56
Hướng dẫn giải chi tiết
(AI giải đề cho tôi)
Chọn hệ trục: đáy ABCD nằm trong mặt phẳng z=0, S có cao độ 9 (chiều cao tháp h=9, S_ABCD=10 m²). Vì M, N, P, Q là trọng tâm các mặt bên nên mỗi điểm có dạng (S + hai đỉnh đáy)/3, do đó tất cả đều nằm trong mặt phẳng z = 9/3 = 3. Hơn nữa: M−N = (A−C)/3 và N−P = (B−D)/3, nên MNPQ là hình bình hành có hai cạnh song song và bằng 1/3 hai đường chéo AC, BD của đáy, tức diện tích S_{MNPQ} = |AC×BD|/9 = 2·S_{ABCD}/9 = 20/9 m². Khối đa diện lồi cần tính là bao lồi của đoạn BD (nằm trong z=0) và hình bình hành MNPQ (nằm trong z=3), nên nó là hợp các đoạn nối conv(BD) với MNPQ: mặt cắt tại cao độ z = 3t (0≤t≤1) là tổng Minkowski (1−t)·BD ⊕ t·MNPQ, có diện tích A(t) = t²·(20/9) + 2t(1−t)·V(BD, MNPQ), trong đó hỗn hợp diện tích V(BD, MNPQ) = ½·|BD|·(bề rộng của MNPQ theo phương vuông góc BD). Vì cạnh của MNPQ gồm AC/3 và BD/3, bề rộng vuông góc BD là |AC·n|/3 với n⊥BD, cho |BD|·(bề rộng) = 2|AC×BD|/(3·1)·... = 2·S_{ABCD}/3 = 20/3, suy ra V(BD, MNPQ) = 10/3. Do đó thể tích: V = 3∫₀¹ [ (20/9)t² + (20/3)t(1−t) ] dt = 3[ 20/27 + 10/9 ] = 3·50/27 = 50/9 ≈ 5.5556. Kết quả không phụ thuộc vị trí hình chiếu của S (chỉ phụ thuộc chiều cao và diện tích đáy). Vậy thể tích cần tìm ≈ 5.56 m³.
Chọn hệ trục: đáy ABCD nằm trong mặt phẳng z=0, S có cao độ 9 (chiều cao tháp h=9, S_ABCD=10 m²). Vì M, N, P, Q là trọng tâm các mặt bên nên mỗi điểm có dạng (S + hai đỉnh đáy)/3, do đó tất cả đều nằm trong mặt phẳng z = 9/3 = 3. Hơn nữa: M−N = (A−C)/3 và N−P = (B−D)/3, nên MNPQ là hình bình hành có hai cạnh song song và bằng 1/3 hai đường chéo AC, BD của đáy, tức diện tích S_{MNPQ} = |AC×BD|/9 = 2·S_{ABCD}/9 = 20/9 m². Khối đa diện lồi cần tính là bao lồi của đoạn BD (nằm trong z=0) và hình bình hành MNPQ (nằm trong z=3), nên nó là hợp các đoạn nối conv(BD) với MNPQ: mặt cắt tại cao độ z = 3t (0≤t≤1) là tổng Minkowski (1−t)·BD ⊕ t·MNPQ, có diện tích A(t) = t²·(20/9) + 2t(1−t)·V(BD, MNPQ), trong đó hỗn hợp diện tích V(BD, MNPQ) = ½·|BD|·(bề rộng của MNPQ theo phương vuông góc BD). Vì cạnh của MNPQ gồm AC/3 và BD/3, bề rộng vuông góc BD là |AC·n|/3 với n⊥BD, cho |BD|·(bề rộng) = 2|AC×BD|/(3·1)·... = 2·S_{ABCD}/3 = 20/3, suy ra V(BD, MNPQ) = 10/3. Do đó thể tích: V = 3∫₀¹ [ (20/9)t² + (20/3)t(1−t) ] dt = 3[ 20/27 + 10/9 ] = 3·50/27 = 50/9 ≈ 5.5556. Kết quả không phụ thuộc vị trí hình chiếu của S (chỉ phụ thuộc chiều cao và diện tích đáy). Vậy thể tích cần tìm ≈ 5.56 m³.