已知直三棱柱ABC-A1B1C1中,侧面AA1B1B为正方形,求二面角的正弦值最小值
(1) 设 'BF' 与 'DE' 的交点为 'G',连接 'AG'、'BG',则 'AG' 与 'BF' 均垂直于 'A1B1',故 'AG' // 'BF',又 'AG' // 'DE',因此 'BF' // 'DE',即 'BF' ⊥ 'DE'。
(2) 设 'BB1'= 'CC1'= x,则 'AA1'= x根号2,'BF'= 根号(x^2-1),'DE'= 根号(2^2+x^2-2x根号2),'EF'= 根号(x^2-1),'DF'= x根号2-1。由余弦定理可得:
cos ∠BFE = (BF^2+EF^2-BE^2)/(2BF*EF)=(x^2-2)/(2(x^2-1))
cos ∠DFE = (DF^2+EF^2-DE^2)/(2DF*EF)=(3x^2-2x根号2-7)/(2(2x根号2-2))
由于 ∠BFE 为锐角,所以 sin ∠BFE = 根号(1-cos^2 ∠BFE),同理可得 sin ∠DFE = 根号(1-cos^2 ∠DFE)。因此,面 'BB1C1C' 与面 'DFE' 所成的二面角的正弦值为:
sin θ = sin(∠BFE + ∠DFE) = sin ∠BFE cos ∠DFE + cos ∠BFE sin ∠DFE
将上面的式子代入,化简可得:
sin θ = (根号2x^3-2x根号2)/(2(x^2-1)根号(3x^4-4x^3根号2+14x^2-8x根号2-6))
注意到 x>1,所以 3x^4-4x^3根号2+14x^2-8x根号2-6>0,因此 sin θ 与 (根号2x^3-2x根号2)/(x^2-1) 同号。对于分式 (根号2x^3-2x根号2)/(x^2-1),可以求导得到极值点 x=2。因此,当 'B1D'=2 时,sin θ 达到最小值 根号2/3。
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