В правильном тетраэдре \(ABCD\) точки \(M\), \(L\) и \(N\) лежат на рёбрах \(AB\), \(BC\) и \(AD\) соответственно, причём
\[AM : MB = BL : LC = AN : ND = 1 : 4.\]
а) Докажите, что плоскость \(MLN\) делит ребро \(CD\) в отношении \(4:1\), считая от точки \(C\).
б) Найдите площадь сечения тетраэдра плоскостью \(MLN\), если \(AB = 10\).
а) Обозначим плоскость \(MLN\) через \(\alpha\).
В треугольнике \(ABD\) точки \(M\) и \(N\) делят стороны \(AB\) и \(AD\) в одном отношении:
\[\frac{AM}{AB} = \frac{AN}{AD} = \frac{1}{5},\]
поэтому \(MN \parallel BD\).
Прямая \(BD\) не лежит в плоскости \(\alpha\) и параллельна прямой \(MN\), которая в \(\alpha\) лежит, значит \(BD \parallel \alpha\).
Плоскость \(\alpha\) пересекает плоскость \(BCD\) по прямой, проходящей через точку \(L\). Так как \(BD \parallel \alpha\), эта прямая параллельна \(BD\). Пусть она пересекает ребро \(CD\) в точке \(X\). Тогда в треугольнике \(BCD\) выполняется \(LX \parallel BD\), и по теореме Фалеса
\[\frac{CX}{CD} = \frac{CL}{CB} = \frac{4}{5},\]
то есть \(CX : XD = 4 : 1\). Что и требовалось доказать.
б) Сечением является четырёхугольник \(MLXN\): сторона \(ML\) лежит в грани \(ABC\), \(LX\) — в грани \(BCD\), \(XN\) — в грани \(ACD\), \(NM\) — в грани \(ABD\).
Так как \(AB = 10\), то
\[AM = BL = XD = 2, \qquad MB = LC = CX = ND = 8.\]
Обе прямые \(MN\) и \(LX\) параллельны \(BD\), поэтому \(MN \parallel LX\) и \(MLXN\) — трапеция. Её основания — средние линии подобных треугольников:
\[MN = \frac{BD}{5} = 2, \qquad LX = \frac{4BD}{5} = 8.\]
Найдём боковую сторону. В треугольнике \(MBL\) известно \(BM = 8\), \(BL = 2\), а угол \(MBL\) — это угол правильного треугольника \(ABC\), то есть \(60^\circ\). По теореме косинусов
\[ML^2 = 64 + 4 - 2\cdot 8\cdot 2\cdot\frac{1}{2} = 52, \qquad ML = 2\sqrt{13}.\]
Точно так же в треугольнике \(NDX\) имеем \(DN = 8\), \(DX = 2\), \(\angle NDX = 60^\circ\), откуда \(NX = 2\sqrt{13}\). Значит трапеция равнобедренная.
Проведём высоту \(MH\). В равнобедренной трапеции она отсекает от большего основания отрезок
\[LH = \frac{LX - MN}{2} = \frac{8 - 2}{2} = 3,\]
поэтому
\[MH = \sqrt{ML^2 - LH^2} = \sqrt{52 - 9} = \sqrt{43}.\]
Остаётся посчитать площадь:
\[S = \frac{MN + LX}{2}\cdot MH = \frac{2 + 8}{2}\cdot\sqrt{43} = 5\sqrt{43}.\]
Ответ: б) \(5\sqrt{43}\).