Feladat: B.3850 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Pásztor Attila 
Füzet: 2006/április, 222 - 223. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Téglalapok, Szabályos tetraéder, Szélsőérték-feladatok, Hossz, kerület, Terület, felszín, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2005/október: B.3850

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Megoldás. Először megmutatjuk, hogy ha egy sík négyszögben metszi a szabályos tetraédert, akkor a metszet pontosan akkor téglalap, ha a sík a tetraéder két kitérő élével párhuzamos. Legyen a metsző sík S, a tetraéder csúcsai pedig A, B, C, D. Válasszuk úgy a jelölést, hogy S ne messe az AB élt (ezt megtehetjük, mert a hat él közül S csak négyet metsz). Tekintsük az S, ABC és ABD síkokat. E három sík páronkénti metszésvonalai közül az egyik az AB egyenes, a másik kettő pedig az S által a tetraéderből kimetszett négyszög két szemközti éle. Ha a síkmetszet téglalap, akkor e két utóbbi egyenes párhuzamos. Viszont tudjuk (lásd pl. Geometriai feladatok gyűjteménye I., 1703. feladat), hogy három sík páronkénti metszésvonalai vagy párhuzamosak, vagy egy ponton mennek át. Esetünkben tehát a három metszésvonal párhuzamos. Ha pedig az S, ACD és BCD síkokat nézzük, akkor ugyanezzel a gondolatmenettel azt kapjuk, hogy a kimetszett téglalap másik két éle a tetraéder CD élével párhuzamos. Ha tehát a kimetszett négyszög csúcsai az ábrán látható módon E, F, G és H, akkor EHFGAB és EFGHCD. Megfordítva, ha az S sík párhuzamos AB-vel és CD-vel, akkor az EFGH négyszög szemközti oldalai párhuzamosak AB-vel, illetve CD-vel, és mivel e két utóbbi egyenes merőleges egymásra, az EFGH négyszög ebben az esetben téglalap.

 
 

Vizsgáljuk meg a téglalapmetszetek kerületét és területét. Legyen AG=x. Ekkor AH=GH=BE=BF=EF=x, mert az AHG és BEF háromszögek szabályosak, hiszen GHCDEF miatt hasonlók az ACD, illetve a BCD háromszögekhez. Ugyanígy kapjuk, hogy a DGF és CHE háromszögek is szabályosak, amiből következik, hogy 1-x=DG=DF=FG=HE=EC=CH.
Vagyis az EFGH téglalap kerülete:
K=EF+FG+GH+HE=x+(1-x)+x+(1-x)=2,
azaz a téglalapmetszetek kerülete állandó, minden esetben 2 egység. A téglalap területe:
T=EFFG=x(1-x)=x-x2.
Az f(x)=-x2+x függvény grafikonja lefelé nyíló parabola, mely a (0;0) és az (1;0) pontokban metszi az x tengelyt, csúcsa pedig az (12;14) pontban van. A téglalap területe tehát tetszőleges olyan pozitív szám lehet, amely nem nagyobb 14-nél. A metszet területe akkor maximális, ha a téglalap csúcsai egybeesnek a tetraéder négy élének felező pontjaival (ekkor a metszet négyzet). Ha pedig a metsző sík megközelíti a tetraéder egyik élét, akkor a metszet területe közelít 0-hoz (a téglalap egyik éle 1-hez, másik pedig 0-hoz tart).