Что такое расстояние геометрия
Расстояние
Расстояние, в широком смысле, степень удалённости объектов друг от друга. Расстояние является фундаментальным понятием геометрии. Термин часто используется в других науках и дисциплинах: астрономия, география, геодезия, навигация и др.
Содержание
Расстояние в математике
Содержание термина «расстояние» в математике связано с понятием метрики и метрического пространства.
Расстояние в технике
Расстояние между объектами — длина отрезка прямой, соединяющей два объекта. Расстояние в этом смысле является физической величиной с размерностью длины, значение расстояния выражается в единицах длины.
Другие использования
В проксемике понятие расстояния используют для описания личного пространства человека.
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Расстояние» в других словарях:
РАССТОЯНИЕ — РАССТОЯНИЕ, расстояния, ср. 1. Пространство, разделяющее два пункта, промежуток между чем нибудь. Кратчайшее расстояние между двумя точками по прямой. Живет от нас на расстоянии двух километров. «Комендант подпустил их на самое близкое расстояние … Толковый словарь Ушакова
РАССТОЯНИЕ — геометрическое понятие, содержание которого зависит от того, для каких объектов оно определяется. Напр., расстояние между двумя точками длина соединяющего их отрезка прямой, расстояние от точки до прямой (или плоскости) длина отрезка… … Большой Энциклопедический словарь
расстояние — Общий термин, характеризующий степень удаленности объектов в пространстве координат: геометрических, логических и др. Например, в телекоммуникационных системах означает дальность связи, а в теории кодирования характеризует меру различия между… … Справочник технического переводчика
расстояние — РАССТОЯНИЕ, дистанция … Словарь-тезаурус синонимов русской речи
расстояние S’H’ — расстояние S’H’ Расстояние от вершины задней поверхности до задней главной точки. [ГОСТ 7427 76] Тематики оптика, оптические приборы и измерения … Справочник технического переводчика
расстояние SH — Расстояние от вершины передней поверхности до передней главной точки. [ГОСТ 7427 76] Тематики оптика, оптические приборы и измерения … Справочник технического переводчика
расстояние a — Расстояние от передней главной точки до осевой точки предмета. [ГОСТ 7427 76] Тематики оптика, оптические приборы и измерения … Справочник технического переводчика
расстояние a’ — расстояние a’ Расстояние от задней главной точки до осевой точки изображения. [ГОСТ 7427 76] Тематики оптика, оптические приборы и измерения … Справочник технического переводчика
расстояние a’p’ — расстояние a’p’ Расстояние от задней главной точки до осевой точки выходного зрачка. [ГОСТ 7427 76] Тематики оптика, оптические приборы и измерения … Справочник технического переводчика
расстояние ap — Расстояние от передней главной точки до осевой точки входного зрачка. [ГОСТ 7427 76] Тематики оптика, оптические приборы и измерения … Справочник технического переводчика
Точка и прямая
Прежде чем говорить, как найти расстояние от прямой до точки, необходимо подробно рассмотреть, о каких элементах идет речь.
Известно, что в двумерном или трехмерном пространстве в геометрии для определения места расположения того или иного объекта вводится специальная система координат. Удобнее всего использовать прямоугольную декартову систему, которая представляет собой пересекающиеся под прямым углом оси (2 для плоскости и 3 для трехмерного пространства). На каждой из них существует шкала в выбранных единицах.
Обычно она является равномерной, то есть на каждой оси единица представляет собой отрезок одинаковой длины.
Точечный объект
Или просто точка. Это нульмерный объект, который в двумерном пространстве представляет собой набор двух координат, а в трехмерном — трех. Математически точка записывается так: A (x1; y1), где x1 — ее координата по оси x, y1 — по оси y. Для определения значения координат необходимо от точки провести перпендикуляр к соответствующей оси, их пересечение укажет на искомое значение. Примеры разных точек на плоскости и пространстве:
Точка P лежит на оси x, а M в начале координатной системы. Обе они заданы на плоскости, в отличие от Q и N, которые можно построить в пространстве. Также следует отметить, что у координатных осей имеется положительное и отрицательное направления, поэтому точки могут иметь отрицательные координаты.
Уравнения линии
Прямая линия является одним из самых распространенных объектов в геометрии. С помощью нее строятся многие симметричные фигуры, например, пирамида, призма, треугольник, прямоугольник (но не сфера). Прямая линия представляет собой бесконечный объект в одном направлении, и нульмерный в двух других, если речь идет об объемном пространстве.
Для выполнения математических операций с геометрическим элементом существуют разные виды уравнений, которые его задают. Среди них можно назвать:
Чаще всего в задачах применяют первые 2 вида. Универсальным уравнением, которое можно с легкостью преобразовать в любые другие формы, является векторное. Задается для трехмерного случая оно следующим образом:
(x; y; z) = (x0; y0; z0) + α*(vx; vy; vz).
Векторным уравнением удобно пользоваться, поскольку его легко преобразовать в параметрическое или в отрезках. В первом случае получается следующая система:
Для уравнения в отрезках получается такое равенство:
(x-x0)/vx = (y-y0)/vy = (z-z0)/vz.
Чтобы получить из векторной формы уравнение общего типа для случая на плоскости, достаточно написать выражение в отрезках, а затем из него выразить y через x. В итоге получается такой вид:
Для трехмерного пространства также можно использовать этот математический прием, однако придется выражать не только y через x, но и z через, например, y. Дело в том, что в объемном пространстве прямая задается в общем виде как пересечение двух плоскостей.
Способы определения расстояния
В первую очередь необходимо понять, что называется дистанцией между точкой и прямой линией. Пусть имеется прямая a и точка A. Если из нульмерного объекта провести отрезок к прямой так, чтобы ее он пересекал под прямым углом в некоторой точке A1, то AA1 будет называться перпендикуляром к a. Согласно определению, расстояние от точки до прямой равно длине перпендикулярного отрезка, опущенного из нульмерного объекта к одномерному.
Из геометрических представлений понятно, что длина AA1 будет наименьшей среди всех возможных отрезков, которые можно провести от A к a.
Применение векторных выражений
После получения представлений, что понимают под дистанцией между геометрическими объектами, в докладе можно переходить к рассмотрению первого универсального способа решения этой задачи.
Пусть имеется прямая, заданная в векторной форме в двумерном пространстве: (x; y) = (x0; y0) + α*(vx; vy).
В этой же координатной системе задана точка P (x1; y1). В первую очередь необходимо найти вектор u (ux; uy), который будет перпендикулярен направляющему v (vx; vy). Сделать это несложно, если вспомнить, что скалярное произведение перпендикулярных векторов равно нулю. В итоге получается следующее выражение:
Подставляя в это равенство произвольное значение uy, можно получить координату ux. Если одна из координат вектора v равна нулю, например, vx=0, тогда uy=0 для любых значений ux отличных от 0.
Зная координаты направляющего вектора u для перпендикуляра, можно построить для него векторное уравнение прямой, которая будет проходить через P:
(x; y) = (x1; y1) + β *(ux; uy).
Теперь необходимо найти точку пересечения обеих прямых. Для этого можно выразить y через x для каждой из них, а затем, решить систему из двух линейных уравнений. Например, получилась точка Q (x2; y2).
Для решения задачи остается сделать последний шаг: найти длину отрезка, заключенного между точками P и Q. Искомая формула имеет вид:
PQ = ((x2-x1)^2 + (y2-y1)^2)^0,5.
Описанный способ определения дистанции от прямой до точки можно использовать для задач на плоскости. Дело в том, что в трехмерном пространстве существует бесконечное количество перпендикуляров заданной прямой, поэтому для трехмерного случая придется вводить еще одно условие на поиск перпендикулярного отрезка: он должен лежать в плоскости, проходящей через заданные прямую и точку. Этот факт усложняет решение задачи.
Использование формулы
Применение известной формулы для решения геометрических проблем является самым простым способом. Пусть имеется некоторая прямая, которая в векторной форме задается так:
(x; y; z) = (x0; y0; z0) + α*(vx; vy; vz).
Известна также точка P (x1; y1; z1). Теперь следует выбрать произвольную точку на прямой, пусть это будет Q (x2; y2; z2). Следует отметить, что координаты Q удовлетворяют векторному уравнению заданной прямой. Далее, нужно построить вектор PQ, его координаты определяются так:
PQ = (x2-x1; y2-y1; z2-z1).
После этого следует рассмотреть параллелограмм, который однозначно может быть построен на векторах PQ и v (vx; vy; vz) — направляющий отрезок заданной прямой линии (для наглядности фигуру можно изобразить на рисунке). Известно, что площадь параллелограмма может быть определена двумя способами:
Поскольку оба выражения используются для нахождения одной и той же площади S, их можно приравнять и выразить высоту h:
Поскольку высота параллелограмма является искомой дистанцией d от точки P до заданной в задаче прямой, получается следующая простая формула:
Вычисление векторного произведения проще всего выполнять с помощью матрицы и алгебраического дополнения (стандартная операция вычисления определителя). Удобство полученной формулы заключается в ее универсальности, то есть она применима как для трехмерного пространства, так и для случая на плоскости. Для двумерной задачи в координатной форме выражение примет вид:
d = ((x2-x1)*vy+(y2-y1)*vx)/ (vx 2 + vy 2 )^0,5.
Это выражение является несколько громоздким, поэтому рекомендуется запомнить только его векторную форму.
Решение задачи
Для начала нужно находить направляющий вектор прямой. Его координаты будут соответствовать следующим значениям:
Теперь следует найти вектор AC:
AC = C — A = ((-1−1); (1−0)) = (-2; 1).
Прежде чем воспользоваться формулой для определения расстояния, можно заранее вычислить модуль векторного произведения [AB*AC] и длину AB:
Тогда дистанция d от точки C до прямой, проходящей через A и B будет равно:
Таким образом, для определения расстояния между известными прямой и точкой в пространстве существует 2 способа.
Первый предполагает использование ряда математических рассуждений с выкладками. Он справедлив только для задач на плоскости. Второй способ позволяет воспользоваться универсальной формулой.
Геометрия
Лучшие условия по продуктам Тинькофф по этой ссылке
Дарим 500 ₽ на баланс сим-карты и 1000 ₽ при сохранении номера
. 500 руб. на счет при заказе сим-карты по этой ссылке
Лучшие условия по продуктам
ТИНЬКОФФ по данной ссылке
План урока:
Понятие перпендикуляра
Пусть есть некоторая плоскость α и точка М в пространстве, не лежащая на α. Проведем через М прямую, перпендикулярную α. Она пересечет α в какой-нибудь точке К. Отрезок МК именуют перпендикуляром к плоскости α.
Если через М мы проведем ещё одну прямую, пересекающую α, то она пересечет α в какой-нибудь точке Н. В результате мы получим прямоугольный ∆МНК:
Запомним некоторые геометрические термины. В таком построении:
Заметим, что в ∆МНК отрезок МН – это гипотенуза, а МК – это катет. Напомним, что катет всегда меньше гипотенузы. Отсюда вытекает вывод – длина перпендикуляра всегда меньше длины наклонной (конечно, если они проведены из одной точки).
Это значит, что из всех отрезков, которыми можно соединить точку и плоскость, именно перпендикуляр будет кратчайшим. Поэтому его называют расстоянием между точкой и плоскостью.
Расстояния между плоскостями и прямыми
Докажем довольно очевидный факт:
Действительно, пусть α и β – параллельные плоскости. Выберем на α произвольные точки М и Р, а далее опустим перпендикуляры из точек М и Р на β, которые пересекут β в точках Н и К соответственно:
Так как МН и РК перпендикулярны плоскости α, то они параллельны. Но также и α||β. Тогда, по теореме 12 из этого урока, отрезки МН и РК одинаковы, ч. т. д.
Этот факт позволяет ввести понятия расстояния между параллельными плоскостями.
Уточним, что если плоскости пересекаются, то расстояние между ними не может быть определено.
Далее рассмотрим случай с плоскостью α и параллельной ей прямой m. Оказывается, и в этом случае точки прямой равноудалены от плоскости.
Действительно, отметим на m произвольную точку К. Далее через K проведем такую плоскость β, что α||β. Так как точки β равноудалены от α, то нам достаточно показать, что m будет полностью принадлежать β:
Так как m и β уже имеют общую точку K, то они m либо пересекает β, либо лежит в ней. Будем рассуждать от противного и предположим, что m и β пересекаются. Так как m||α, то в α можно построить прямую n, параллельную m. Если m пересекает β, то и nтакже должна ее пересекать (по теореме 3 из этого урока). Но если n пересекает β, то точка их пересечения будет одновременно принадлежать и β, и α. То есть у этих плоскостей будет общая точка. Но α и β параллельны и потому не могут иметь общих точек. Значит, на самом деле m и β НЕ пересекаются. Остается один вариант – m принадлежит β, ч. т. д.
Из этой теоремы вытекает понятие расстояния между прямой и плоскостью.
Уточним, что если плоскость и прямая не параллельны, то расстояние между ними определить нельзя.
Осталось понять, как определять расстояние между прямыми в пространстве. Для параллельных прямых определение расстояния известно ещё из курса планиметрии. Естественно, что для пересекающихся прямых расстояние определить невозможно. Остается только случай скрещивающихся прямых.
Пусть прямые m и n скрещиваются. Тогда через n можно построить плоскость α, параллельную m. И наоборот, через m возможно провести плоскость β, параллельную n:
Далее опустим из какой-нибудь точки m перпендикуляр на α. Обозначим этот перпендикуляр как р. Тогда через пересекающиеся прямые m и р можно провести единственную плоскость γ:
Заметим, что плоскости α и γ обязательно пересекутся по некоторой прямой m’, причем m’||m. Действительно, m’ и m не могут скрещиваться, ведь они находятся в одной плоскости γ. Не могут они и пересекаться, ведь в противном случае точка их пересечения была бы общей для m и α, а они параллельны и общих точек не имеют.
Также заметим, что прямые n и m’ пересекаются, ведь они располагаются в одной плоскости α. Параллельными они быть не могут, ведь тогда по свойству транзитивности параллельности получилось бы, что и n||m, а это не так. Обозначим точку пересечения n и m’ буквой K.
Далее через K в плоскости γ проведем прямую р’, параллельную р:
Теперь начнем рассуждения. Если р⊥α, то также р⊥m’. Так как р’||р, то и р’⊥m’, ведь прямая, перпендикулярная одной из параллельных прямых, будет перпендикулярна и второй прямой. По этому же правилу из того факта, что m’||m и р’⊥m’ вытекает, что и m⊥р’. Наконец, если р⊥α, то р⊥n. Для ясности отметим все найденные нами прямые углы на рисунке:
В итоге получилось, что отрезок HK перпендикулярен и n, и m. По этой причине его называют общим перпендикуляром к прямым n и m. Именно он и считается расстоянием между скрещивающимися прямыми m и n.
Отдельно отметим, что HK – это ещё и общий перпендикуляр к α и β. Понятно, что так как р⊥α и р’||р, то и р’⊥α, то есть HK – перпендикуляр к α.
Теперь через точку H проведем прямую n’, параллельную n. Так как β||n, то n’ будет находиться в β (по теор. 6 в этом уроке).
Раз n||n’ и р’⊥n, то и р’⊥n’. Тогда получается, что в β есть сразу две пересекающихся прямых (это m и n’), которые перпендикулярны р’. Поэтому можно утверждать, что р’⊥β, то есть HK– перпендикуляр к β.
Отсюда сразу вытекает ещё один важный вывод – плоскости α и β параллельны, так как имеют общий перпендикуляр.
Итак, мы показали, что общий перпендикуляр можно построить для любых двух скрещивающихся прямых. Но можно построить ещё один такой перпендикуляр? Нельзя, и это можно показать.
Сначала заметим, что второй перпендикуляр нельзя провести через точку К, ведь в таком случае получалось бы, что к m проведены два различных перпендикуляра из одной и той же точки, что невозможно. Аналогично перпендикуляр не может проходить и через Н.
Предположим тогда, что второй перпендикуляр проходит через точки С и D, причем С находится на m, а D находится на n. То есть CD⊥m и СD⊥n:
Проведем через С прямую n’’, параллельную n. Раз СD⊥n и n||n’’, то и СD⊥n’’. При этом n’’ находится в β (это доказывается также, как и в случае с n’). Тогда получается, что в β есть две прямые, n’’ и m, каждая из которых перпендикулярна СD, и при этом n’’ и m пересекаются. Тогда CD⊥β. Из этого вытекает, что СD и HK параллельны, а потому через них можно провести плоскость δ. Этой плоскости будут принадлежать точки С, H, К и D. Но тогда в этой плоскости должны находиться прямые m и n, ведь они имеют с ней по две общих точки. Но m и n – скрещивающиеся прямые, то есть они никак не могут находиться в одной плоскости. Это противоречие означает, что второй общий перпендикуляр CD не существует.
Итак, из всех наших рассуждений мы можем сделать следующие выводы:
Теорема о трех перпендикулярах
Сформулируем важное утверждение, которое называют теоремой о трех перпендикулярах.
Проиллюстрируем теорему с помощью картинки:
Доказательство этой теоремы очень простое. Так как МК⊥α, то также МК⊥m. Теперь рассмотрим расположение плоскости МНК и прямой m. МК⊥m и HK⊥m. Тогда по признаку перпендикулярности можно утверждать, что m перпендикулярна всей плоскости HM, то есть каждой находящейся в ней прямой. В частности, m⊥HK, ч. т. д.
Оказывается, верно и обратное утверждение (так называемая обратная теорема о трех перпендикулярах):
Доказательство аналогично предыдущему. Так как m⊥MH и m⊥MK, то m⊥HMK. Отсюда вытекает, что и m⊥HK.
Угол между прямой и плоскостью
Проекция наклонной позволяет ввести такое понятие, как угол между прямой и плоскостью.
Пусть надо определить угол между прямой HM и плоскостью α:
Здесь надо просто построить перпендикуляр МК. В результате появится отрезок HK– проекция HM на α. Тогда угол между HM и HK, то есть ∠MHK, как раз и будет углом между HM и α.
Однако не всегда таким образом можно построить проекцию прямой. Проблемы возникнут, если прямая либо параллельна, либо перпендикулярна плоскости. В таких случаях используются такие правила:
Задачи на перпендикуляры, наклонные, расстояния
Рассмотрим несколько задач, в каждой из которых рассматривается куб АВСDEFGH. При этом предполагается, что ребро такого куба имеет длину, равную единице.
Задание. В кубе АВСDEFGH найдите расстояние между точкой А и гранью CDHG:
Решение. Ребро AD перпендикулярно грани DH (так как AD⊥DH и AD⊥CD). Поэтому как раз АD и является расстоянием между А и СDHG. Значит, оно равно единице.
Примечание. Для решения следующих задач запомним, что ребро DH перпендикулярно грани АВСD. Вообще в кубе все ребра, пересекающиеся с гранями, перпендикулярны таким граням.
Задание. Найдите в кубе расстояние между вершиной А и плоскостью BDH:
Решение. Проведем на грани АВСD перпендикуляр АК из А к прямой BD:
Докажем, что АК – перпендикуляр в BDH. Для этого надо найти две прямые в BDH, перпендикулярные АК. Первая такая прямая – это BD (мы специально провели АК⊥BD). Вторая такая прямая – это DH. Действительно, DH перпендикулярна всей грани АВСD, а значит, и прямой АК.
Теперь найдем длину АК. Ее можно вычислить из прямоугольного ∆АКD. В нём ∠ADB =45°, ведь это угол между стороной квадрата АВСD и его диагональю.
Найти АК можно с помощью тригонометрии в ∆АКD:
Задание. Найдите расстояние от H до плоскости EDG:
Решение. Обозначим середину отрезка ЕD буквой М.Далее в ∆МНG опустим высоту из НК на сторону MG:
Попытаемся доказать, что HK – это перпендикуляр к EDG. Заметим, что ∆HDG и ∆EHG равны, ведь у них одинаковую длину имеют ребра DH, EH, ребро GH – общее, а ∠DHG и ∠EHG прямые. Тогда одинаковы отрезки EG и DG. Это означает, что ∆EGD – равнобедренный.
В ∆EGDMG– это медиана. Так как ∆EGD – равнобедренный, то MG одновременно ещё и высота, поэтому MD⊥MG.
Аналогично ∆EHD– равнобедренный (EH = HD), а потому MH в нем – и медиана, и высота. Поэтому MD⊥MH.
Получили, что MD перпендикулярен и MH, и MG, то есть двум прямым в плоскости MHG. Тогда MD перпендикулярен всей плоскости MHG, и, в частности, отрезку HK: HK⊥MD.
Но также MD⊥MG. Получается, KH перпендикулярен двум прямым в плоскости EDG, и потому он является перпендикуляром к плоскости EDG. Значит, именно его длину нам и надо найти.
Рассмотрим ∆MDH. Он прямоугольный, а ∠MDH = 45° (угол между стороной и диагональю квадрата). Тогда длину MH можно найти так:
Так как ребро GH перпендикулярно грани АЕНD, то ∆MHG – прямоугольный. Тогда по теореме Пифагора можно найти MG:
Далее можно найти HK разными способами, но проще воспользоваться подобием ∆MHG и ∆MKH. Они оба – прямоугольные, и у них есть общий угол ∠KMH, этого достаточно для подобия треугольников. Записываем пропорцию:
Здесь слева записано отношение сторон, лежащих против ∠KMH, а справа – отношение сторон, лежащих против прямых углов (то есть отношение гипотенуз). Используем пропорцию дальше:
Задание. Найдите расстояние между прямыми ВС и DH:
Решение. ВС и DH – скрещивающиеся. Надо найти общий перпендикуляр к ним. В данном случае он очевиден – это отрезок CD. Действительно, CD⊥ВС как стороны квадрата АВСD, но и DH⊥CD как стороны в другом квадрате, СDHG.. Длина же ребра CD равна единице, ведь у куба все ребра одинаковы.
Задание. Каково расстояние между прямыми ВС и DG:
Решение.На грани СDHG опустим из С перпендикуляр СК на диагональ GD:
Будет ли СК являться расстоянием между ВС и DG? Ясно, что СК⊥DG. При этом ребро ВС перпендикулярно грани СGHD, так как ВС⊥СG и ВС⊥СD. Значит, также ВС⊥СК. То есть СК – общий перпендикуляр к ВС и DG, и по определению как раз и является искомым расстоянием.
Длину СК найдем из прямоугольного ∆СKG. ∠СGK составляет 45°, ведь это угол между диагональю DG и стороной квадрата СG. Тогда можно записать:
Задание. Найдите расстояние между ребрами АВ и HG:
Решение. Здесь ребра АВ и HG параллельны, так как каждая их них параллельна ребру CD. Проведем отрезок АН. Так как и АВ, и HG перпендикулярны грани АЕНD, то эти ребра одновременно перпендикулярны и АН. То есть АН – общий перпендикуляр к АВ и HG, и поэтому именно его длину и надо найти.
Сделать это можно из прямоугольного ∆АНD, в котором ∠НАD составляет 45°:
Задание. Чему равно расстояние между ребром AB и диагональю FD:
Решение. Пусть А1, D1, H1 и Е1 – середины ребер АВ, DC, HG, и EF соответственно. Проведем через А1, D1, H1 плоскость. Диагональ FD пересечет ее в какой-нибудь точке К:
Сначала покажем, что плоскости α и ADH (то есть нижняя грань) параллельны.
Заметим, что в четырехугольнике АА1D1D стороны АА1 и DD1 параллельны (ведь они лежат на сторонах квадрата АВСD) и одинаковы (ведь они составляют половину от длины ребер АВ и CD, то есть имеют длину 0,5). Тогда АА1D1D – параллелограмм. Более того, раз у него есть прямые углы ∠А1АDи ∠АDD1, то можно утверждать, что АА1D1D – прямоугольник. Тогда АD||A1D1. Аналогично можно показать, что DHH1D1 – прямоугольник, и DH||D1H1.
Далее можно действовать разными способами. Первый способ – это использование признака параллельности плоскостей (теорема 9 из этого урока). Так как в α есть пересекающиеся прямые А1D1и D1H1, а в плоскости ADH находятся прямые AD и DH, и АD||A1D1, и DH||D1H1, то по этому признаку α||ADH.
Однако, если этот признак вдруг оказался «забыт», то можно использовать отрезок DD1. Он перпендикулярен и грани ADHE, и плоскости α, ведь в каждой из них есть по две прямых, перпендикулярных ему. Это AD и DH на грани ADHE и A1D1и D1H1 в α. Тогда α и ADH перпендикулярны одной и той же прямой, а потому они параллельны. Так или иначе, мы выяснили, что α||ADH.
Отсюда вытекает, что α должна проходить через середину Е1. Действительно, расстояние между параллельными плоскостями не зависит от выбора точек измерения. В данном случае оно равно отрезку АА1, то есть 0,5. Но FE– это также общий перпендикуляр к α и ADH. Значит, α пересекает FE в точке, находящейся на расстоянии 0,5 от Е. А это как раз и есть середина FE, то есть точка Е1.
Далее докажем, что точка К, в которой прямая FD пересекает α – это середина отрезка Е1D1. Для этого удобно отдельно показать плоскость, проходящую через параллельные ребра FE и CD, то есть четырехугольник FEDC:
Заметим, так как ребра FE и CD перпендикулярны верхней и нижней грани, то они перпендикулярны и отрезкам FC и ED, то есть FEDC прямоугольник. Тогда FC||ED, и ∠Е1FD = ∠D1DF (накрест лежащие углы при секущей FD). ∠FKE1 и ∠DKD1 одинаковы уже как вертикальные углы. Тогда ∆FKE1 и ∆DKD1 подобны по 2 углам. Но отрезки FE1 и DD1 одинаковы как половины равных ребер FE и CD. Получается, что ∆FKE1 и ∆DKD1 равны, и поэтому Е1К = KD1. Это и значит, что К – середина Е1D1.
Также отметим, что Е1D1 – диагональ в четырехугольнике А1Е1Н1D1. Докажем, что А1Е1Н1D – это квадрат. Ранее мы уже показали, что АА1D1D и DHH1D1 – прямоугольники. Аналогично можно продемонстрировать, что прямоугольниками являются также АА1Е1Е и ЕЕ1Н1Н. Из этого вытекает равенство сторон:
То есть в А1Е1Н1D1 все стороны одинаковы, и эта фигура – ромб. Теперь надо показать, что и углы в этом четырехугольнике составляют 90°. Продемонстрируем это на примере ∠А1D1H1. AD⊥CDHG и AD||A1D1, поэтому А1D1⊥CDHG. Значит, также А1D перпендикулярна любой прямой на грани CDHG, в том числе и D1H1. То есть ∠А1D1H1 = 90°. Но если в ромбе хотя бы один угол прямой, то он является квадратом.
Итак, мы выяснили, что А1Е1Н1D1 – квадрат, а К – середина его диагонали Е1D1. Получается, что К – точка пересечения диагоналей квадрата А1Е1Н1D1, ведь эта точка пересечения как раз делит диагонали пополам.
Теперь мы можем наконец доказать, что А1К – это и есть искомое расстояние. Действительно, так как АВ – перпендикуляр к α, та А1К принадлежит α, то А1К⊥АВ. Но как же доказать, что А1К⊥FD. Здесь поможет теорема о трех перпендикулярах. Е1К – это проекция FK на α, и Е1К⊥А1К, ведь диагонали квадрата пересекаются под прямым углом. Раз отрезок А1К перпендикулярен проекции, то он перпендикулярен и самой наклонной, то есть А1К⊥FK.
Осталось лишь вычислить длину А1К. Для этого по аналогии с предыдущими задачами используем прямоугольный∆А1Е1К, в котором ∠А1Е1К = 45°:
Отвлечемся от куба и рассмотрим другую задачу.
Задание. В ∆АВС вписана окружность. Через центр этой окружности (точку О) проведена прямая ОН, причем она перпендикулярна плоскости АВС. Верно ли, что точка Н находится на одинаковом расстоянии от прямых АВ, АС и ВС?
Решение. Пусть N, K и M – точки касания окружности и сторон АВ, АС и ВС соответственно. Тогда ОN, OK и OM– радиусы, а они должны быть перпендикулярны касательным, то есть
Заметим, что ОN, OK и OM – это также проекции прямых HN, HK и HM соответственно. Раз отрезки АВ, АС и ВС перпендикулярны этим проекциям, то они должны быть перпендикулярны и наклонным:
Это значит, что HN, HK и HM– это расстояния от H до сторон ∆АВС. Осталось показать, что они одинаковы. Это можно сделать с помощью ∆HON, ∆HOK и ∆HOM. Они все прямоугольные, причем катет OH– общий, а катеты ON, OM и OK одинаковы как радиусы одной окружности. Отсюда вытекает вывод, что эти треугольники равны, то есть одинаковы и их гипотенузы HN, HKи HM, ч. т. д.
Теперь снова вернемся к кубу, чтобы на практике научиться определять угол между прямой и плоскостью.
Задание. Найдите угол между ребром куба BD и гранью СDHG:
Решение. ВС – это перпендикуляр к грани СDHG, поэтому CD– проекция BD на грань СDHG. Тогда нам надо найти ∠BDC. Он составляет 45°, так как это угол между стороной и диагональю квадрата АВСD:
Задание. Вычислите угол между ребром CD и плоскостью BDHF:
Решение. Нам надо из С опустить перпендикуляр на BDHF. Несложно догадаться, что для этого надо на грани ABCD опустить перпендикуляр СК на диагональ BD:
Действительно, СK⊥BD. Надо найти ещё одну прямую в BDHF, перпендикулярную СК. И такой прямой может быть BF. Так как BF перпендикулярна всей грани АВСD, то она обязательно перпендикулярна и СК. Получаем, что СК⊥BF и CK⊥BD, и тогда СK⊥BDHF.
Если СK– перпендикуляр, то KD – это проекция СD. Тогда искомый нами угол – это ∠СDK. Он равен 45°, ведь BD – диагональ квадрата АВСD, а CD – его сторона.
Задание. Чему равен угол между прямой BD и плоскостью ABGH:
Решение. На нижней грани АЕНD опустим на АН перпендикуляр DK:
Заметим, что ребро АВ перпендикулярно грани АЕНD, поэтому KD⊥АВ. Но также KD⊥AH (мы специально построили так KD). Тогда можно утверждать, что KD – это перпендикуляр ко всей плоскости АВGH.
В таком случае BK – это проекция BD на AB. Значит, нам необходимо вычислить ∠DBK. Его можно найти из прямоугольного ∆DBK, но сперва надо вычислить длины сторон KD и BD.
ВD найдем из прямоугольного ∆ABD:
Теперь мы можем найти ∠DBK, а точнее его синус, из ∆DBK:
По таблице синусов легко определить, что ∠DBK = 30°.
В ходе сегодняшнего урока мы узнали о перпендикуляре к плоскости. Перпендикуляры используются для определения расстояний в стереометрии, а также угла между прямой и плоскостью.