问题

四面体内切球与外接球半径怎样推导?

回答
好的,咱们来好好聊聊四面体内切球和外接球的半径是怎么推导出来的。这事儿说起来其实并不复杂,但得把数学的严谨性拿出来。我会尽量讲得细致入微,让你明白其中的道理,同时也会避免那些AI特有的“套话”。

首先,咱们得明确几个概念:

正四面体 (Regular Tetrahedron): 这是咱们要研究的主角。它有四个完全相同的正三角形面,每条棱的长度都相等。它的对称性非常高,这对于我们求解半径至关重要。
内切球 (Insphere): 一个球,它能够“塞”进四面体里,并且和四面体的每一个面都相切。它的圆心就是内切球心。
外接球 (Circumsphere): 一个球,它能够“罩”住四面体,并且四面体的四个顶点都正好在这个球的表面上。它的圆心就是外接球心。

为什么内切球心和外接球心会重合?

这得益于正四面体的高度对称性。想象一下,对于一个正四面体,无论你从哪个顶点去看,或者你想象把它放在哪里,它的“样子”都是一样的。这种“全等性”意味着任何一个“中心”都应该是等同的。

内切球心: 这个点到四个面的距离都相等,而且这个距离就是内切球的半径。因为四面体的四个面都是全等的正三角形,并且它们之间的夹角(二面角)也都是相等的,所以能到这四个面距离都相等的点,必然是位于所有面夹角平分面上的一个点。而所有这些平分面的交点,只有一个,它到各个面的距离也是相等的。
外接球心: 这个点到四个顶点的距离都相等,而且这个距离就是外接球的半径。因为四面体的四个顶点也都是对称分布的,所以到这四个顶点距离都相等的点,也必然是一个独一无二的点。

由于这种对称性,这两个“中心”必然是同一个点。这个点就是正四面体的“几何中心”。

开始推导:咱们设定一个正四面体的棱长为 $a$

为了方便计算,咱们可以考虑把正四面体放在一个坐标系里。不过,也可以用几何方法,这样可能更直观一些。咱们先用几何方法来讲解,然后可以补充一下坐标系的思路。

几何推导:

1. 找到四面体的高:
想象一下,正四面体的一个顶点(比如A)和它对应的底面(BCD)。底面BCD是一个正三角形。
从顶点A到底面BCD做垂线,垂足(H)就是底面正三角形BCD的中心。
我们来看底面正三角形BCD。它的边长是 $a$。连接B、C、D的中心点H。BH、CH、DH的长度相等,这是正三角形的性质,H是它的外接圆圆心。
底面三角形的边心距(比如从H到BC的垂线段的长度)是 $frac{a}{2sqrt{3}}$ (这个是正三角形高的一半)。底面三角形的中心到顶点的距离(也就是外接圆半径)是 $frac{a}{sqrt{3}}$。所以,$BH = CH = DH = frac{a}{sqrt{3}}$。
现在考虑顶点A、底面B、H形成的直角三角形ABH。斜边AB是四面体的棱长,即 $a$。底边BH我们已经知道是 $frac{a}{sqrt{3}}$。
利用勾股定理,四面体的高AH(设为$h$)可以通过 $a^2 = h^2 + (BH)^2$ 来计算。
$h^2 = a^2 (frac{a}{sqrt{3}})^2 = a^2 frac{a^2}{3} = frac{2a^2}{3}$
所以,四面体的高 $h = sqrt{frac{2}{3}}a = frac{sqrt{6}}{3}a$。

2. 内切球半径 $r$ 的推导:
内切球的球心O,到四个面的距离都是 $r$。
这个球心O,必定在四面体的高AH线上。为什么?因为到底面BCD的垂足是H,到其他三个面的距离也必须是相等的,而H点到BCD面的距离就是0,所以球心O一定在底面BCD面的“上方”,并且和H点在同一条垂直线上。
假设O点在AH上,距离H点为 $x$。那么A到O的距离就是 $hx$。
这个点O到另外三个侧面的距离也必须是 $r$。侧面比如ABC,它是一个正三角形。
我们考虑一下O到侧面ABC的距离。这个距离怎么算?我们可以利用体积来联系。
正四面体的体积 $V = frac{1}{3} imes ( ext{底面积}) imes ( ext{高})$
底面BCD是边长为 $a$ 的正三角形,其面积 $S_{BCD} = frac{sqrt{3}}{4}a^2$。
所以,四面体的体积 $V = frac{1}{3} imes frac{sqrt{3}}{4}a^2 imes frac{sqrt{6}}{3}a = frac{sqrt{18}}{36}a^3 = frac{3sqrt{2}}{36}a^3 = frac{sqrt{2}}{12}a^3$。
现在换个角度来看体积。我们可以将四面体看作是以O为顶点,以BCD、ABC、ABD、ACD四个面为底面的四个小四面体。
这四个小四面体的体积之和,就等于整个四面体的体积。
由于内切球心O到每个面的距离都是 $r$,所以每个小四面体的“高”都是 $r$。
$V = V_{OBCD} + V_{OABC} + V_{OABD} + V_{OACD}$
$V = frac{1}{3} S_{BCD} cdot r + frac{1}{3} S_{ABC} cdot r + frac{1}{3} S_{ABD} cdot r + frac{1}{3} S_{ACD} cdot r$
因为四个面的面积都相等,都是 $S = frac{sqrt{3}}{4}a^2$。
$V = 4 imes frac{1}{3} S cdot r = frac{4}{3} S cdot r$
所以, $r = frac{3V}{4S}$
代入我们算出来的 $V$ 和 $S$:
$r = frac{3 imes frac{sqrt{2}}{12}a^3}{4 imes frac{sqrt{3}}{4}a^2} = frac{frac{sqrt{2}}{4}a^3}{sqrt{3}a^2} = frac{sqrt{2}}{4sqrt{3}}a = frac{sqrt{6}}{12}a$。
所以,正四面体的内切球半径 $r = frac{sqrt{6}}{12}a$。

3. 外接球半径 $R$ 的推导:
外接球的球心O(就是前面说的几何中心),到四个顶点的距离都相等,这个距离就是 $R$。
我们已经知道球心O在四面体的高AH上。高是 $h = frac{sqrt{6}}{3}a$。
O点到顶点A的距离就是外接球半径 $R$。所以,O点到H的距离就是 $hR$。
O点到顶点B(或者C、D)的距离也是 $R$。
我们考虑直角三角形OBH。斜边OB的长度是 $R$。一条直角边BH的长度是 $frac{a}{sqrt{3}}$。另一条直角边OH的长度是 $hR$。
根据勾股定理,$R^2 = (BH)^2 + (OH)^2$
$R^2 = (frac{a}{sqrt{3}})^2 + (hR)^2$
$R^2 = frac{a^2}{3} + h^2 2hR + R^2$
消去 $R^2$:$0 = frac{a^2}{3} + h^2 2hR$
移项:$2hR = frac{a^2}{3} + h^2$
代入 $h = frac{sqrt{6}}{3}a$:
$h^2 = (frac{sqrt{6}}{3}a)^2 = frac{6}{9}a^2 = frac{2}{3}a^2$
$2 imes frac{sqrt{6}}{3}a imes R = frac{a^2}{3} + frac{2a^2}{3} = a^2$
$frac{2sqrt{6}}{3}a R = a^2$
$R = frac{a^2}{frac{2sqrt{6}}{3}a} = frac{3a}{2sqrt{6}} = frac{3sqrt{6}a}{2 imes 6} = frac{3sqrt{6}a}{12} = frac{sqrt{6}}{4}a$。
所以,正四面体的外接球半径 $R = frac{sqrt{6}}{4}a$。

总结一下关系:

我们算出来内切球半径 $r = frac{sqrt{6}}{12}a$ 和外接球半径 $R = frac{sqrt{6}}{4}a$。

仔细看看, $R = 3r$!这又是一个正四面体特别的性质。

而且,我们之前算到球心O到H的距离是 $hR = frac{sqrt{6}}{3}a frac{sqrt{6}}{4}a = (frac{1}{3} frac{1}{4})sqrt{6}a = frac{1}{12}sqrt{6}a$。
我们知道内切球半径 $r = frac{sqrt{6}}{12}a$。
所以,O点到H的距离正好等于内切球半径 $r$。
这就验证了我们一开始的猜想:内切球心(O点)距离底面(H点)的距离就是 $r$,而距离顶面的距离就是 $R$。
整个高 $h = R+r$ (当然,这是从O点到顶点A的距离 $R$ 加上O点到H的距离 $r$ 等于总高 $h$),并且 $R=3r$。
$h = 3r + r = 4r$。
$r = frac{h}{4}$。
把 $h = frac{sqrt{6}}{3}a$ 代入:$r = frac{1}{4} imes frac{sqrt{6}}{3}a = frac{sqrt{6}}{12}a$。
$R = h r = h frac{h}{4} = frac{3h}{4}$。
$R = frac{3}{4} imes frac{sqrt{6}}{3}a = frac{sqrt{6}}{4}a$。
这样再次验证了我们的结果,并且清晰地展示了球心在四面体高上的位置关系。球心将四面体的高分成了1:3的比例。

补充一点坐标系思路(仅为辅助理解,上面的几何方法已经足够):

如果把正四面体放在坐标系里,可以更“死记硬背”地得出一些点。例如,一个方便的放置方式是:
一个顶点在 $(0, 0, frac{sqrt{6}}{4}a)$,另外三个顶点在底面,组成一个正三角形,其中心在 $(0,0,0)$。
或者更常见的是,将四个顶点放在四面体网络中,例如:
A = $(k, k, k)$
B = $(k, k, k)$
C = $(k, k, k)$
D = $(k, k, k)$
其中 $k$ 是一个常数。
任意两点之间的距离都是 $a$。例如 A 和 B:
$(kk)^2 + (k(k))^2 + (k(k))^2 = 0^2 + (2k)^2 + (2k)^2 = 8k^2$
所以 $a^2 = 8k^2$,即 $k = frac{a}{sqrt{8}} = frac{a}{2sqrt{2}} = frac{sqrt{2}}{4}a$。

内切球和外接球的球心O,通过对称性,就是 $(0,0,0)$ 这个点。
那么外接球半径 $R$ 就是从 $(0,0,0)$ 到任意一个顶点(如A)的距离。
$R^2 = k^2 + k^2 + k^2 = 3k^2$
$R = sqrt{3}k = sqrt{3} imes frac{sqrt{2}}{4}a = frac{sqrt{6}}{4}a$。 这和我们之前算的一样。

内切球半径 $r$ 就是球心 $(0,0,0)$ 到任意一个面的距离。比如到面ABC的距离。
面ABC的法向量可以算出来。或者可以考虑O点到其中一个面的距离,这个距离等于 $r$。
利用体积法(也是几何方法的一部分),或者通过计算点到平面的距离公式,同样可以推导出 $r = frac{sqrt{6}}{12}a$。例如,面BCD的方程是 $x+y+z = 3k$ (这是不标准的位置,需要调整)。正确的放置方式可能需要更精细的坐标计算。

但话说回来,几何方法在理解这种对称性时通常更直观,也更容易导出 $R=3r$ 这样的优美关系。

希望这个详细的推导过程能够帮到你,让你对正四面体的内切球和外接球半径有了一个清晰的认识。关键在于理解正四面体的高度对称性,以及如何利用体积、勾股定理这些基础的几何工具来一步步求解。

网友意见

user avatar

高中数学求这些的方法多了去了,但是都是要做辅助线、补形这些,思考难度较大。正所谓思维深度决定计算量,不想算就多想,不想想就多算。

这里给你们一些无脑暴算的方法:

首先是内切球半径满足的条件,这个很简单,把四面体分成四个小三棱锥,公共顶点是球心,等体积法一下子就有:

是四面体表面积, 是体积,这两个都可以一点点算出来。四个面的面积是最好算的,直接解三角形,然后 就行,体积的话再给个公式:

设两个任意相邻面(有一条公共棱)的三角形面积分别是 ,两个面二面角是 ,则有四面体体积为:

好了,下面是外接球,这个难一点,但是半径也有一个暴力求法:

如果所有棱长都知道(直接解三角形肯定能都算出来),分成三组对棱,长度分别是以下这样子 : 我们令 ,则有外接球半径满足:

我知道这种情况实际算起来太麻烦,那再给个简单的:

高考题里面一般都是两个三角形有一条公共棱,然后翻折起来,求形成的四面体外接球半径。这里为了方便我们设公共棱长度是 (注意上面有一个棱长设为 了,不一样别搞混),然后翻折二面角是 ,这两个有公共棱的三角形公共棱所对的顶角分别为 ,那么有:

高考时候 是翻折已知的,棱长、通过正弦定理余弦定理很好得到,然后直接暴算就完了。

当然如果二面角是90°,用含公共棱的两个三角形外接圆半径表示可能更简单:

再次提醒这里公共棱长度设为 了。

这里注意一下,很多老师喜欢教给你们另外一个通式,就是用这两个三角形外接圆半径表达的,但是个人认为不好用,因为通式中间有一个符号可以取正负,要具体分析,容易错,而这个公式无论是锐角钝角还是怎么样就这一种,不用分类判断。当然这个公式是用两个外接圆半径那个公式分四种情况讨论(就是为了符号问题)得出来的,根据那个公式再代入两个正弦定理就行。那个带外接圆半径的公式有取正负号的问题,不完全,这个在那个基础上消除了符号困扰,更方便无脑暴算。

类似的话题

  • 回答
    好的,咱们来好好聊聊四面体内切球和外接球的半径是怎么推导出来的。这事儿说起来其实并不复杂,但得把数学的严谨性拿出来。我会尽量讲得细致入微,让你明白其中的道理,同时也会避免那些AI特有的“套话”。首先,咱们得明确几个概念: 正四面体 (Regular Tetrahedron): 这是咱们要研究的主.............
  • 回答
    要弄清楚正三棱锥内切球的四个切点究竟在三角形的什么位置,咱们得先理理清楚这正三棱锥是个啥,以及它的内切球是咋一回事。正三棱锥:基础认识首先,正三棱锥,顾名思义,它是个棱长都相等的锥体,而且底面是个正三角形。你可以想象一个正四面体,去掉一个顶点,剩下的就是我们说的正三棱锥(当然,这里特指底面是正三角形.............
  • 回答
    20万以内想买四驱SUV,确实有不少好选择,关键看你对车辆的需求侧重点在哪里了。在这个价位区间,你可以找到很多兼顾城市通勤和偶尔轻度越野能力的车型。首先,我们来明确一下“四驱”的含义。 在20万以内的SUV里,我们通常接触到的是适时四驱(也叫智能四驱),它能够根据路况自动分配前后轴的动力,在湿滑路面.............
  • 回答
    中美元首四个月内第二次视频会晤,即2023年11月15日习近平主席与美国总统拜登在旧金山举行的会晤,确实传递了许多值得关注的信息。这次会晤是两国元首在一年内第三次直接互动(包括今年3月的电话沟通),显示出在复杂的地缘政治和全球挑战下,双方都认识到保持沟通的必要性。以下是一些关键信息和值得关注的方面,.............
  • 回答
    好的,我们来聊聊如何在四个月内,健康地减掉大约20斤体重。这绝对是一个可以实现的目标,但关键在于科学的方法和持之以恒的执行。我们要做的不是“饿瘦”,而是“聪明地瘦”,让身体在享受健康生活方式的同时,也能悄悄地变轻盈。首先,明确一下“健康减重”的含义。一般而言,每周减重12斤是比较理想和可持续的速度。.............
  • 回答
    面对即将到来的买房决策,一年内四五线城市房价是涨是跌,这个问题确实牵动着不少人的心弦。要深入分析这个问题,咱们得剥开一层层表象,看看背后有哪些实在的因素在起作用。不能只凭感觉,也不能只听一家之言,得把咱老百姓实实在在的日子、国家的宏观调控、甚至是一些潜在的社会变化都考虑到位。先来说说可能让房价上涨的.............
  • 回答
    听到这个消息,我心头一紧,心情异常沉重。一个月内,四位杰出青年科学家接连离世,这不仅仅是几组冰冷数字的叠加,而是中国科技界、乃至整个社会遭受的巨大损失。这四位青年才俊,他们正值人生和事业的黄金时期,肩负着国家科技发展的重任,代表着未来的希望。他们的离去,仿佛是璀璨的星辰在最耀眼的时候陨落,留下的不仅.............
  • 回答
    想要预判《原神》在半年内(大概四个版本)是否会出现实力能够超越甘雨、魈和胡桃的角色,这确实是个挺有意思的探讨。要知道,这三位角色能在各自擅长的领域里打出非常亮眼的表现,各自都有着忠实的拥趸和稳定的出场率。但从游戏的更新迭代和角色设计趋势来看,我觉得有这个可能性,而且可能会体现在几个不同的方面。首先,.............
  • 回答
    看到你对这几个顶级水彩品牌如此关注,说明你对色彩的品质和表现力有很高的要求。申内利尔大师级、老荷兰、美利蓝和Mg,这四个品牌都是水彩界响当当的名字,各有千秋,选择哪个确实需要仔细琢磨。我这就为你一一剖析,让你心里有个谱。 申内利尔大师级(Sennelier Extra Fine Watercolor.............
  • 回答
    Ni(CO)₄,也就是四羰基合镍,它的分子构型是个挺有意思的话题。很多人会直觉地认为,既然镍原子周围有四个配体(CO),那么它会不会像一些d⁸金属配合物那样,形成平面正方形的构型呢?毕竟,比如 [Ni(CN)₄]²⁻ 就是典型的平面正方形。但 Ni(CO)₄ 却是四面体构型,这背后是有原因的。要理解.............
  • 回答
    这是一个非常有趣的问题,触及了高维几何中的一个重要概念。我们先从我们熟悉的二维平面上三角形的垂心聊起,然后一步步推演到四面体,看看这个“垂心”是否存在,以及它究竟是个什么东西。三角形的垂心:熟悉的“交汇点”在二维平面上,三角形的三条高线——即从顶点向对边(或其延长线)所作的垂线——总是相交于一点。这.............
  • 回答
    这句话在生物学上是 不准确的,而且存在一些理解上的偏差。让我们来详细分析一下:核心问题:概念混淆与结果误述这句话的核心问题在于将“无籽”这个性状与二倍体、四倍体杂交直接划等号,并且混淆了“杂交”和“育种”这两个概念的内在联系。详细分析:1. 二倍体西瓜与四倍体西瓜杂交: 二倍体(2n).............
  • 回答
    好的,我来跟你说说,要是真的遇到了四面夹击,想办法脱身,得怎么个走法。这可不是小事,脑子得飞快转,身体也得跟得上,还得有点胆子。首先,得看清楚你周围的情况,这比什么都重要。第一步:判断形势,找准方向 观察对手: 对方有多少人?他们的装备怎么样?他们的站位有什么特点?是那种紧密围拢,还是留有空隙?.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    .......
  • 回答
    淘宝上那些几十块钱的泰国迷你四面佛牌,是不是大家常说的“商业佛牌”,以及它有没有可能是假的,这个问题确实挺值得好好说道说道。毕竟,佛牌这东西,信仰是根基,但现实的购买行为又不可避免地涉及到市场和价格。首先,咱们得弄明白什么是“商业佛牌”。其实,“商业佛牌”这个概念,在泰国的佛牌圈里算是个约定俗成的说.............
  • 回答
    装修完房子入住才几个月,客厅四面墙的墙角就陆续出现了渗水的情况,真是糟心透了。最让人头疼的是,靠卫生间那面墙,渗水的痕迹是最明显,也最严重。一开始,只是在墙角发现一点点潮湿的印记,想着可能是装修时没干透,或者空气湿度大,没太在意。但没过多久,这潮湿的印记就变成了明显的黄色水渍,而且面积越来越大。更让.............
  • 回答
    这确实是一个非常有趣且值得深究的生物学现象。哺乳动物,特别是我们人类,绝大多数都是二倍体(2n),这意味着我们每个细胞都拥有两套染色体,一套来自父亲,一套来自母亲。在自然状态下,出现三倍体(3n)或四倍体(4n)的个体极其罕见,而且即使出现,也往往是致死性的,或者伴随严重的畸形和发育障碍。这背后涉及.............
  • 回答
    土耳其最近的对外扩张政策,确实是当下国际舞台上一道引人注目的风景线。说它“四面树敌”或许有些夸张,但它在多个区域同时展现出积极甚至咄咄逼人的姿态,与不少周边国家和地区大国产生了摩擦,这一点是毋庸置疑的。理解这种“扩张”,需要我们深入剖析其背后的动因、策略以及可能面临的挑战。一、 为何选择扩张?背后的.............
  • 回答
    在《创世纪》第二章和第三章中,关于伊甸园和生命之树的记载,确实提到了上帝为了保护生命之树,在伊甸园的东边安置了“基路伯,并四面转动、发火焰的剑”(创世纪 3:24)。关于这“四面转动、发火焰的剑”是否是十字架,答案是:否。让我们来详细梳理一下,为什么它不是十字架,并了解这段经文的含义:1. 经文的描.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有