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2000年第39届德国数学奥林匹克10年级第一天第3题

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一个立方体ABCD-EFGH被平面AFH、BEG、CFH、DEG、EBD、FAC、GBD、HAC划分成若干部分。
(a)求这些部分的数量。
(b)计算每一部分的体积。


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(a)先来找经过正方体顶点的部分:
以点E为例。
首先,平面AFH将正方体分割成了两部分,其中包含E的那部分为三棱锥E-AFH,因此只需看三棱锥E-AFH的分割。
设立方体中经过点E的四个面ABFE、ADHE、EHGF的中心分别是I,J,H。
则线段IJ、JK、KI分别是平面AFH和平面EBD、EDG、EBG的交线在正方体内部的部分,线段EI,EJ,EK分别是EB、ED、EG的一部分,所以IJ、JK、KI、EI,EJ,EK都是分割线,它们把三棱锥E-AFH分割成了四部分:E-AIJ,E-FIK,E-HKJ,E-IJK。其中前三个经过正方体的两个顶点,第四个经过正方体的一个顶点。
所以分割得到的所有部分中,有4个经过了点E,其中3个经过正方体的两个顶点,1个只能经过点E。
根据对称性,经过其他每个顶点的部分也分别有4个,其中3个经过正方体的两个顶点,1个只经过该顶点。
正方体一共8个顶点,所以经过正方体的顶点的部分一共有3×8÷2+8=20个。
再找不经过正方体顶点的部分。
题目给出的8个初始分割平面由三条首尾相连的对角线生成的,而且包含了所有满足要求的情况。
以AFH为例,它和平面EBD、EDG、EBG相交,交线分别是IJ、JK、KI,即三个相邻面的中心的三条连线。而它与平面FAC、CFH、HAC的交线分别是AF、FH、AH,即围成自身的三边,另外,它与平面BDG平行。
根据对称性,对于任何一个面,它与一个面平行,与三个面相交于围成自身的三边,与三个面相交于三条相邻面的面心连线。
所以最终的图形中,不经过顶点的分割线一定是各个相邻面的面心的连线,它们构成了一个正八面体。
所以这样的部分只有一个。
综上,正方体一共被分割成了20+1=21部分。
(b)20个三棱锥的体积都等于E-AFH的1/4,也就是1/24平方单位。中间八面体的体积为1-20*(1/24)=1/6平方单位。


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