В правильной треугольной призме \(ABCA_1B_1C_1\) отметили точки \(M\) и \(K\) на рёбрах \(AA_1\) и \(A_1B_1\) соответственно. Известно, что \(AM = 5MA_1\), \(A_1K = KB_1\). Через точки \(M\) и \(K\) провели плоскость \(\alpha\) перпендикулярно грани \(ABB_1A_1\).
а) Докажите, что плоскость \(\alpha\) проходит через вершину \(C_1\).
б) Найдите площадь сечения призмы \(ABCA_1B_1C_1\) плоскостью \(\alpha\), если все рёбра призмы равны 12.
а) Призма правильная, поэтому \(A_1B_1C_1\) — равносторонний треугольник, и медиана \(C_1K\) является в нём высотой. Отсюда \(KC_1 \perp A_1B_1\).
Кроме того, боковое ребро \(AA_1\) перпендикулярно плоскости верхнего основания, а прямая \(KC_1\) лежит в этой плоскости, значит \(KC_1 \perp AA_1\).
Получилось, что \(KC_1\) перпендикулярна двум пересекающимся прямым плоскости \((ABB_1)\), следовательно
\[KC_1 \perp \left(ABB_1\right).\]
Так как \(\alpha \perp (ABB_1)\), точка \(K\) лежит в \(\alpha\) и \(KC_1 \perp (ABB_1)\), то прямая \(KC_1\) лежит в \(\alpha\), а вместе с ней и точка \(C_1\). Что и требовалось доказать.
б) Плоскость \(\alpha\) пересекает ребро \(AA_1\) в точке \(M\), ребро \(A_1B_1\) — в точке \(K\) и проходит через вершину \(C_1\), то есть отсекает от призмы угол при вершине \(A_1\). Значит сечение — треугольник \(MKC_1\).
Из доказанного \(KC_1 \perp (ABB_1)\), в частности \(KC_1 \perp MK\). Значит \(MKC_1\) — прямоугольный треугольник и
\[S = \frac{1}{2}MK\cdot C_1K.\]
Все рёбра равны 12, поэтому \(A_1K = KB_1 = 6\). Из \(AM : MA_1 = 5 : 1\) получаем \(AM = 10\), \(MA_1 = 2\).
Оба катета находятся в плоских фигурах: \(MK\) — в грани \(ABB_1A_1\), а \(C_1K\) — в верхнем основании \(A_1B_1C_1\).
По теореме Пифагора для \(\triangle A_1MK\):
\[MK^2 = A_1M^2 + A_1K^2 = 4 + 36 = 40 \quad\Longrightarrow\quad MK = 2\sqrt{10}.\]
По теореме Пифагора для \(\triangle A_1C_1K\):
\[C_1K^2 = C_1A_1^2 - A_1K^2 = 144 - 36 = 108 \quad\Longrightarrow\quad C_1K = 6\sqrt{3}.\]
Тогда
\[S = \frac{1}{2}\cdot MK\cdot C_1K = \frac{1}{2}\cdot 2\sqrt{10}\cdot 6\sqrt{3} = 6\sqrt{30}.\]
Ответ: б) \(6\sqrt{30}\).