Дана правильная четырёхугольная пирамида \(SABCD\) с основанием \(ABCD\). Плоскость \(\alpha\) проходит через ребро \(AB\) и пересекает рёбра \(SC\) и \(SD\) в точках \(M\) и \(N\) соответственно. Известно, что \(AB = AN = BM = 5MN\).
а) Докажите, что \(SM : MC = SN : ND = 1 : 4\).
б) Найдите косинус угла между плоскостью \(\alpha\) и плоскостью основания пирамиды.
а) Рассмотрим три попарно пересекающиеся плоскости \((SCD)\), \((ABC)\) и \(\alpha\). Их линии пересечения — прямые \(CD\), \(AB\) и \(MN\), а такие три прямые либо проходят через одну точку, либо попарно параллельны. Так как \(AB \parallel CD\), остаётся второй вариант:
\[MN \parallel AB \parallel CD.\]
Тогда \(\triangle SMN \sim \triangle SCD\), и
\[\frac{SM}{SC} = \frac{SN}{SD} = \frac{MN}{CD} = \frac{MN}{AB} = \frac{1}{5},\]
откуда \(SM : MC = SN : ND = 1 : 4\). Что и требовалось доказать.
б) Пусть \(AB = BM = AN = 5x\), \(MN = x\), точка \(O\) — пересечение диагоналей основания, \(SO\) — высота пирамиды.
Проведём \(MM_1 \parallel SO\) в плоскости \(SAC\) и \(NN_1 \parallel SO\) в плоскости \(SBD\). Тогда \(M_1\) и \(N_1\) — проекции точек \(M\) и \(N\) на плоскость основания, а четырёхугольник \(ABM_1N_1\) — проекция сечения \(ABMN\). Если \(\varphi\) — искомый угол, то
\[\cos\varphi = \frac{S_{ABM_1N_1}}{S_{ABMN}}.\]
Сечение \(ABMN\) — равнобедренная трапеция с основаниями \(x\) и \(5x\) и боковой стороной \(5x\). Её высота находится из прямоугольного треугольника с гипотенузой \(5x\) и катетом \(\dfrac{5x - x}{2} = 2x\):
\[h^2 = (5x)^2 - (2x)^2 = 21x^2, \qquad h = x\sqrt{21},\]
\[S_{ABMN} = \frac{x + 5x}{2}\cdot x\sqrt{21} = 3x^2\sqrt{21}.\]
По теореме о пропорциональных отрезках \(CM_1 : M_1O = CM : MS = 4 : 1\), и точно так же \(DN_1 : N_1O = 4 : 1\). Обозначим \(AC = BD = 10z\), тогда \(M_1O = N_1O = z\) и \(AO = BO = 5z\), откуда
\[AM_1 = BN_1 = 6z.\]
Диагонали четырёхугольника \(ABM_1N_1\) взаимно перпендикулярны, поэтому
\[S_{ABM_1N_1} = \frac{1}{2}AM_1\cdot BN_1 = \frac{1}{2}\cdot 6z\cdot 6z = 18z^2.\]
В квадрате диагональ выражается через сторону: \(10z = 5x\sqrt{2}\), то есть \(z = \dfrac{x}{\sqrt{2}}\), и
\[S_{ABM_1N_1} = 18\cdot\frac{x^2}{2} = 9x^2.\]
Итого
\[\cos\varphi = \frac{9x^2}{3x^2\sqrt{21}} = \frac{3}{\sqrt{21}} = \sqrt{\frac{3}{7}}.\]
Ответ: б) \(\sqrt{\dfrac{3}{7}}\).