Cho hình chóp \(S.ABCD\) với đáy \(ABCD\) là một tứ giác lồi có các cặp cạnh đối không song song (xem hình vẽ sau).

Cặp đường thẳng nào sau đây chéo nhau?

Ta xét hai mặt phẳng \(\left( {ABC'} \right)\) và \(\left( {A'B'C'} \right)\):

• Có điểm chung là \(C'\).
• Mặt phẳng \(\left( {ABC'} \right)\) chứa đường thẳng \(AB\).
• Mặt phẳng \(\left( {A'B'C'} \right)\) chứa đường thẳng \(A'B'\).

Vì \(ABC.A'B'C'\) là hình lăng trụ tam giác nên ta có các cạnh đáy song song nhau: \(AB{\rm{//}}A'B'\).

Theo định lý về giao tuyến song song: Nếu hai mặt phẳng phân biệt chứa hai đường thẳng song song thì giao tuyến của chúng (nếu có) cũng song song với hai đường thẳng đó. Do đó, giao tuyến đi qua điểm chung \(C'\) và song song với đường thẳng \(AB\) (và \(A'B'\)).

Chọn B.

Gọi \({R_n}\) là bán kính đường tròn ngoại tiếp và \({r_n}\) là bán kính đường tròn nội tiếp của tam giác đều \({A_n}{B_n}{C_n}\).

Đối với một tam giác đều bất kỳ, ta có mối liên hệ giữa bán kính đường tròn nội tiếp và ngoại tiếp qua hệ thức lượng trong tam giác: \({r_n} = {R_n} \cdot \cos 60^\circ = \frac{1}{2}{R_n}\).

Theo mô tả quy trình của bài toán, đường tròn ngoại tiếp của tam giác đều kế tiếp \({A_{n + 1}}{B_{n + 1}}{C_{n + 1}}\) chính là đường tròn nội tiếp của tam giác đều \({A_n}{B_n}{C_n}\) liền trước nó. Do đó ta có hệ thức liên hồi: \({R_{n + 1}} = {r_n} = \frac{1}{2}{R_n}\).

Vì hai tam giác đều bất kỳ luôn luôn đồng dạng với nhau, nên tỉ số diện tích giữa hai tam giác đều liên tiếp sẽ bằng bình phương tỉ số đồng dạng (tức bình phương tỉ số bán kính đường tròn ngoại tiếp):

\(\frac{{{S_{n + 1}}}}{{{S_n}}} = {\left( {\frac{{{R_{n + 1}}}}{{{R_n}}}} \right)^2} = {\left( {\frac{1}{2}} \right)^2} = \frac{1}{4}\).

Do đó, dãy số các giá trị diện tích \(\left( {{S_n}} \right)\) lập thành một cấp số nhân lùi vô hạn với số hạng đầu tiên là \({S_1}\) và công bội là \(q = \frac{1}{4}\) (thỏa mãn điều kiện \(\left| q \right| < 1\)).

Bây giờ ta tính diện tích của tam giác đều đầu tiên \({S_1}\):

Tam giác đều \({A_1}{B_1}{C_1}\) nội tiếp đường tròn có bán kính ngoại tiếp \({R_1} = R = 6{\rm{\;cm}}\).

Độ dài cạnh \({a_1}\) của tam giác đều này là: \({a_1} = {R_1}\sqrt 3 = 6\sqrt 3 {\rm{\;cm}}\).

Diện tích của tam giác đều \({A_1}{B_1}{C_1}\) bằng: \({S_1} = \frac{{a_1^2\sqrt 3 }}{4} = \frac{{{{\left( {6\sqrt 3 } \right)}^2} \cdot \sqrt 3 }}{4} = \frac{{108\sqrt 3 }}{4} = 27\sqrt 3 {\rm{\;c}}{{\rm{m}}^2}\).

Áp dụng công thức tính tổng của một cấp số nhân lùi vô hạn, ta có tổng diện tích cần tìm là:

\(S = \frac{{{S_1}}}{{1 - q}} = \frac{{27\sqrt 3 }}{{1 - \frac{1}{4}}} = \frac{{27\sqrt 3 }}{{\frac{3}{4}}} = 27\sqrt 3 \cdot \frac{4}{3} = 36\sqrt 3 {\rm{\;c}}{{\rm{m}}^2}\).

Vậy tổng diện tích tất cả các tam giác đều được tạo ra vô hạn là \(S = 36\sqrt 3 {\rm{\;c}}{{\rm{m}}^2}\).