Сечение, проходящее через точки касания шара с основаниями и противоположными боковыми гранями - это равнобедренная трапеция, в которую вписана окружность диаметра H. Её основания - это "средние линии" квадратов в основаниях, то есть они равны m и n.
По свойству описанных четырехугольников, суммы противоположных сторон равны, то есть боковая сторона этой трапеции равна (m + n)/2;
Если в этой трапеции из вершины меньшего основания опустить высоту, то она отсечет от большего основания отрезок (m - n)/2; (считая от ближайшей вершины, второй отрезок равен (m + n)/2; )
Можно выбрать такую систему единиц измерения длин, что сторона квадрата в нижнем основании усеченной пирамиды равна m, а в верхнем n;
Ясно, что высота пирамиды равна диаметру шара H = D;
Объем шара Vs = (4*π/3)*(D/2)^3 = (π/6)*D^3;
Объем усеченной пирамиды равен
V = (H/3)*(S1 + √(S1*S2) + S2) = (D/3)*(m^2 + m*n + n^2);
Vs/V = (π/2)*D^2/(m^2 + m*n + n^2);
то есть надо найти высоту пирамиды H = D.
Сечение, проходящее через точки касания шара с основаниями и противоположными боковыми гранями - это равнобедренная трапеция, в которую вписана окружность диаметра H. Её основания - это "средние линии" квадратов в основаниях, то есть они равны m и n.
По свойству описанных четырехугольников, суммы противоположных сторон равны, то есть боковая сторона этой трапеции равна (m + n)/2;
Если в этой трапеции из вершины меньшего основания опустить высоту, то она отсечет от большего основания отрезок (m - n)/2; (считая от ближайшей вершины, второй отрезок равен (m + n)/2; )
H^2 = ((m + n)/2)^2 - ((m - n)/2)^2 = m*n; осталось подставить.
Vs/V = (π/2)*(m*n)/(m^2 + m*n + n^2); это ответ.
если положить p = m/n; то
Vs/V = (π/2)*p/(p^2 + p + 1);
Пусть основание высоты (на гипотенузе) - это точка О. С - вершина прямого угла. Тогда высота - это вектор h = ОС, отрезки гипотенузы k = OA; p = BО;
(первая точка означает начало вектора, вторая - конец, к примеру, ОА = - АО)
и стороны треугольника можно записать так
CB = p + h;
CA = k - h;
BA = k + p;
Поскольку АВС прямоугольный треугольник, то
(k + p)^2 = (k - h)^2 + (p + h)^2;
Раскрываем скобки.
k^2 + 2kp + p^2 = k^2 - 2kh + h^2 + p^2 + 2ph + h^2;
Вектор h перпендикулярен векторам k и p, => скалярные произведения kh и ph равны 0.
Скалярное произведение kp = kp (то есть произведение длин отрезков гипотенузы), поскольку эти векторы коллинеарны.
Поэтому
kp = h^2; чтд.