已知三棱锥 $S-ABC$ 中侧棱 $SA$、$SB$、$SC$ 互相垂直,$M$ 是底面三角形 $ABC$ 内一动点,直线 $MS$ 与 $SA$、$SB$、$SC$ 所成的角分别是 $\alpha$、$\beta$、$\gamma$.
【难度】
【出处】
2018年全国高中数学联赛河北省预赛(高三)
【标注】
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  1. 证明:$\alpha$、$\beta$、$\gamma$ 不可能是锐角三角形的三个内角
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    解析
    以线段 $MS$ 为体对角线构造长方体,则 $\alpha$、$\beta$、$\gamma$ 恰好为长方体的体对角线与从一个顶点出发的三条棱所成的角,因此 $\cos^{2}\alpha+\cos^{2}\beta+\cos^{2}\gamma=1$.因为 ${{\cos}^{2}}\alpha +{{\cos }^{2}}\beta \text{=}1-{{\cos }^{2}}\gamma $,所以 $\dfrac{1}{2}\left(\cos 2\alpha +\cos 2\beta \right)\text{=}-{{\cos }^{2}}\gamma $,所以 $\cos\left( \alpha +\beta \right)\times \cos\left( \alpha -\beta \right)\text{=}-{{\cos }^{2}}\gamma <0$,故 $cos(\alpha+\beta)<0$.所以 $\dfrac{\pi}{2}<\alpha+\beta<\pi$.下面证明 $\alpha+\beta+\gamma<\pi$.要证 $\alpha+\beta+\gamma<\pi$,只需证 $\alpha+\beta<\pi-\gamma$,只需证 $\cos(\pi-y)<\cos(\alpha+\beta)<0$,只需证 $\cos^{2}(\pi-y)>\cos^{2}(\alpha+\beta)$.因为 $\begin{align}
    & {{\cos }^{2}}\left( \alpha +\beta \right)-{{\cos }^{2}}\gamma \text{=}{{\cos }^{2}}\left( \alpha+\beta \right)+\frac{1}{2}\left( \cos2\alpha +\cos 2\beta \right) \\
    & \text{=}{{\cos }^{2}}\left( \alpha+\beta \right)+\cos \left( \alpha+\beta \right)\cdot \cos \left( \alpha-\beta \right) \\
    & =2\cos \left( \alpha +\beta \right)\cdot \cos \alpha \cdot \cos\beta <0\\
    \end{align}$,所以 $\alpha+\beta+\gamma<\pi$,故 $\alpha$、$\beta$、$\gamma$ 不可能是锐角三角形的三个内角.
  2. 设 $S=\dfrac{1}{\cos^{2}\alpha}+\dfrac{1}{\cos^{2}\beta}+\dfrac{1}{\cos^{2}\gamma}-\dfrac{2(\cos^{3}\alpha+\cos^{3}\beta+\cos^{3}\gamma)}{\cos\alpha\cdot\cos\beta\cdot\cos\gamma}$,证明:$S\geqslant 3$
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    答案
    解析
    因为\[\begin{align}
    & S-3 \\
    & \text{=}\dfrac{1}{{{\cos }^{2}}\alpha}+\dfrac{1}{{{\cos }^{2}}\beta }+\dfrac{1}{{{\cos }^{2}}\gamma }-\dfrac{2\left({{\cos }^{3}}\alpha +{{\cos }^{3}}\beta +{{\cos }^{3}}\gamma \right)}{\cos \alpha \cdot \cos \beta \cdot\cos \gamma }-3 \\
    & =\dfrac{{{\cos }^{2}}\alpha +{{\cos}^{2}}\beta +{{\cos }^{2}}\gamma }{{{\cos }^{2}}\alpha }+\dfrac{{{\cos}^{2}}\alpha +{{\cos }^{2}}\beta +{{\cos }^{2}}\gamma }{{{\cos }^{2}}\beta }+\dfrac{{{\cos}^{2}}\alpha +{{\cos }^{2}}\beta +{{\cos }^{2}}\gamma }{{{\cos }^{2}}\gamma}-2\left( \dfrac{{{\cos }^{2}}\alpha }{\cos \beta \cdot \cos \gamma }+\dfrac{{{\cos}^{2}}\beta }{\cos \alpha \cdot \cos \gamma }+\dfrac{{{\cos }^{2}}\gamma }{\cos\alpha \cdot \cos \beta } \right)-3 \\
    & ={{\cos }^{2}}\alpha \left( \dfrac{1}{{{\cos}^{2}}\beta }+\dfrac{1}{{{\cos }^{2}}\gamma } \right)+{{\cos }^{2}}\beta \left(\dfrac{1}{{{\cos }^{2}}\alpha }+\dfrac{1}{{{\cos }^{2}}\gamma } \right)+{{\cos}^{2}}\gamma \left( \dfrac{1}{{{\cos }^{2}}\alpha }+\dfrac{1}{{{\cos}^{2}}\beta } \right)-2\left( \dfrac{{{\cos }^{2}}\alpha }{\cos \beta \cdot\cos \gamma }+\dfrac{{{\cos }^{2}}\beta }{\cos \alpha \cdot \cos \gamma }+\dfrac{{{\cos}^{2}}\gamma }{\cos \alpha \cdot \cos \beta } \right) \\
    & ={{\cos }^{2}}\alpha {{\left( \dfrac{1}{\cos\beta }-\dfrac{1}{\cos \gamma } \right)}^{2}}+{{\cos }^{2}}\beta {{\left( \dfrac{1}{\cos\alpha }-\dfrac{1}{\cos \gamma } \right)}^{2}}+{{\cos }^{2}}\gamma {{\left( \dfrac{1}{\cos\alpha }-\dfrac{1}{\cos \beta } \right)}^{2}}\geqslant 0 \\
    \end{align}\]所以 $S\geqslant 3$.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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