Cho khối lập phương \(ABCD.A'B'C'D'\) có độ dài một cạnh là \(a\). Gọi \(M\) là điểm thuộc cạnh \(BB'\) sao \(BM = 2MB'\), \(K\) là trung điểm \(DD'\). Mặt phẳng \(\left( {CMK} \right)\) chia khối lập phương thành hai khối đa diện, tính theo \(a\) thể tích \[{V_1}\] của khối đa diện chứa đỉnh \[C'\].

Phương pháp giải:

- Xác định thiết diện của hình lập phương cắt bởi \[\left( {CMK} \right)\].

- Phân chia và lắp ghép các khối đa diện.

Giải chi tiết:

Trong \(\left( {BCC'B'} \right)\) kéo dài \(CM\) cắt \(B'C'\) tại \(E\), trong \(\left( {CDD'C'} \right)\) kéo dài \(CK\) cắt \(C'D'\) tại \(F\).

Trong \(\left( {A'B'C'D'} \right)\) nối \(EF\) cắt \(A'B',{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} A'D'\) lần lượt tại \(G,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} H\).

Khi đó thiết diện của khối lập phương cắt bởi \[\left( {CMK} \right)\] là ngũ giác \[CMGHK\] và \[{V_1} = {V_{C.C'EF}} - {V_{M.B'EG}} - {V_{K.D'HF}}\]

Áp dụng định lí Ta-lét ta có: \[\frac{{EB'}}{{EC'}} = \frac{{B'M}}{{CC'}} = \frac{1}{3}\]

\[ \Rightarrow EB' = \frac{1}{3}EC' \Rightarrow EB' = \frac{1}{2}B'C' = \frac{a}{2}\].

\[\frac{{FD'}}{{FC'}} = \frac{{D'K}}{{CC'}} = \frac{1}{2}\], \[ \Rightarrow D'\] là trung điểm của \[C'F\] nên \(C'F = 2a,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} D'F = a\).

\(\frac{{B'G}}{{C'F}} = \frac{{EB'}}{{EC'}} = \frac{1}{3}\)\( \Rightarrow B'G = \frac{1}{3}C'F = \frac{{2a}}{3}\)\( \Rightarrow A'G = A'B' - B'G = \frac{a}{3}\).

Ta có \(\frac{{EB'}}{{EC'}} = \frac{1}{3} \Rightarrow \frac{{B'C'}}{{EC'}} = \frac{2}{3} \Rightarrow EC' = \frac{{3a}}{2}\).

\(\frac{{HD'}}{{EC'}} = \frac{{FD'}}{{FC'}} = \frac{1}{2} \Rightarrow HD' = \frac{1}{2}EC' = \frac{{3a}}{4}\)\( \Rightarrow A'H = A'D' - HD' = \frac{a}{4}\).

Khi đó ta có:

\({S_{C'EF}} = \frac{1}{2}C'E.C'F = \frac{1}{2}.\frac{{3a}}{2}.2a = \frac{{3{a^2}}}{2}\)\( \Rightarrow {V_{C.C'EF}} = \frac{1}{3}CC'.{S_{C'EE}} = \frac{1}{3}.a.\frac{{3{a^2}}}{2} = \frac{{{a^3}}}{2}\)

\({S_{B'EG}} = \frac{1}{2}B'E.B'G = \frac{1}{2}.\frac{a}{2}.\frac{{2a}}{3} = \frac{{{a^2}}}{6}\)\( \Rightarrow {V_{M.B'EG}} = \frac{1}{3}MB'.{S_{B'EG}} = \frac{1}{3}.\frac{a}{3}.\frac{{{a^2}}}{6} = \frac{{{a^3}}}{{54}}\)

\({S_{D'HF}} = \frac{1}{2}D'H.D'F = \frac{1}{2}.\frac{{3a}}{4}.a = \frac{{3{a^2}}}{8}\)\( \Rightarrow {V_{K.D'HF}} = \frac{1}{3}.KD'.{S_{D'HF}} = \frac{1}{3}.\frac{a}{2}.\frac{{3{a^2}}}{8} = \frac{{{a^3}}}{{16}}\)

Vậy \({V_1} = {V_{C.C'EF}} - {V_{M.B'EG}} - {V_{K.D'HF}} = \frac{{{a^3}}}{2} - \frac{{{a^3}}}{{54}} - \frac{{{a^3}}}{{16}} = \frac{{181{a^3}}}{{432}}\).