Кандидат педагогических наук
Ю. И. ИОНИН,
В. В. НЕКРАСОВ
В этой статье рассматривается несколько геометрических задач, для решения которых необходимо вычислить те или иные расстояния или углы в пространстве (эти задачи представлены на вступительных экзаменах в развитие вузы). Задания такого типа удобно решать с помощью скалярного произведения векторов. Основной метод решения заключится в том, что в пространстве выбирается подходящий базис и составляется таблица умножения — таблица скалярных произведений векторов этого базиса. Имея такой таблицу и зная разложения векторов в выбранном базисе, вычислить длины этих векторов и углы между ними уже легко. Мы начнем с простой задачи, где этот метод направляется сам собой, а затем перейдем к более сложным задачам, продемонстрировав на них все основные случаи.
Задание 1 (МАИ, 1981). В треугольной парамиде ABCD все ребра имеют одинаковую длину. Точка M — середина ребра AD, точка O — центр треугольника ABC, точка N — середина ребра AB и точка K — середина ребра CD. Найдите угол между прямыми MO и KN.
Решение e. Приимем длину ребра tetraэдра за единицу и выберем в качестве базиса векторы DA=a,DB=b,DC=c. Составим таблицу умножения для этого базиса (табл. 1, с. 48). Разложим векторы MO и KN по векторам a,b,c:
MO=DO−DM=31(a+b+c)−21a=61(−a+2b+2c),
KN=DN−DK=21(a+b)−21c=21(a+b−c).
Угол φ между прямыми MO и KN вычисляется по формуле
Однако условие задачи не всегда позволяет выбрать базис с полностью определенной таблицей умножения. В этом случае нужно попытаться составить уравнение относительно недостаточного элемента.
Задача 2 (МФТИ, 1974). Сторона основания правльной треугольной прізмы ABCA1B1C1 равна a, точки O и O1 являются центрами оснований ABC и A1B1C1 соответственно. Длина ortogonalной проекции отрезка AO1 на прямую B1O равна 65a. Определите высоту прізмы.
Решен и е. Выберем в качестве базиса векторы AA1=m,AB=n,AC=p (рис. 1). Пусть h=∣m∣. Таблица 2 — это таблица умножения для базиса (m,n,p).
Ортогonalная проекция отрезка AO1 на прямую B1O равна длине этого отрезка, умноженной на косинус угла
Рис. 1.
ф между прямыми AO1 и B1O. Чтобы вычислить ∣AO1∣ и cos φ, разложим векторы AO1 и B1O в базис (m,n,p):
Поскольку ∣AO1∣⋅cosφ=65a, мы получаем уравнение 6(3h2+a2)9h2+3a2(6h2+a2)=65a.
Отсюда h=3a6.
Можно выделить четыре основных типа задачи на вычисление расстояний и углов:
Расстояние от точки до прямы
Дано: точка M; пряма l с направлением вектором a, точка A, принадлежащая прямой l; AM=m.
Найти: расстояние от точки M до прямы l.
(Векторы a и m в условиях их разложения в некотором базисе с заданной таблицей умножения.)
Приведем схему решения этой задачи.
Пусть N — ortogonalная проекция точки M на прямую l (рис. 2). Тогда MN=AN−AM=xa−m. Незввест-
50
A=60∘. Все ребра прізмы имеют длину a. Точка K является ортогональной проекцией точки B1 на плоскость DA1C1, а точка L — ортогональной проекцией точки K на плоскость DD1C1C. Найдите объем пирамиды DCLK.
Решение. Прием за основание примыды DCLK треугольник CDL, лежащий в плоскости DD1C1C. тогда отрезок KL — высота примыды (рис. 5). Следовательно, VKCDL=31SCDL⋅KL=61DC⋅LM⋅KL, где M — ортогональная проекция точки L на прямую DC.
Выберем в качестве базиса векторы C1B1=m,C1D1=n,C1C=p и заполним таблицу 4 — таблицу умножения для этого базиса.
Так как вектор B1K перpendикулярен вектором C1A1 и C1D, получаем систему B1K⋅(m+n)=0,B1K⋅(n+p)=0.
Заменив вектор B1K его разложением в базис (m,n,p) и воспользовавшись таблицей 4, прием после упрощенной к системе управления 2x+y=1, 3x+4y=1, открываем KL=53(m+n)−51(n+p)=51(3m+2n−p). Аналогично KL=C1L−C1K=zC1D1+tC1C−C1K=zn+tp−51(3m+2n−p)=51(−3m+(5z−2)n+(5t+1)p). Так как KL⋅n=0, то −23+5z−2=0, открываем z=107, и 5t+1=0, открываем t=−51. Следовательно, KL=51(−3m+23n)=103(−2m+n).
Теперь можно найти высоту примыды KCDL: KL=103(−2m+n)2=103a3.
Осталось найти LM: LM=CM−CL=uCD−(C1L−C1C)=un−zn−tp+p=(u−107)n+56p.
Так как LM⋅n=0, то u=107, открываем LM=56p, ∣LM∣=56a. Таким образом, VKCDL=61⋅a⋅56a⋅103a3=503a33.
Расстояние и угол между скрещивающимся прямыми
Дано: прямая l1 с направляющим вектором a1, точка A1, принадлежащая прямой l1; прямая l2 с направляющим вектором a2, точка A2, принадлежащая прямой l2; A1A2=m.
Найти: расстояние u угол между прямыми l1 и l2.
51
Задание этого типа решения по следующей схеме.
Косинус угла φ между прямыми l1 и l2 находится по формуле
cosφ=∣a1∣⋅∣a2∣∣a1⋅a2∣.
Чтобы определить расстояние между прямыми l1 и l2, то есть длину их общего перепределения P1P2 (P1∈l1, P2∈l2, рисунок 6), представим вектор P1P2 в виде P1P2=P1A1+A1A2+A2P2=xa1+m+ya2. Незввесные коэффициенты x,y находятся из условия перепределения вектора P1P2 вектора a1 и a2:
{(xa1+ya2+m)a1=0,(xa1+ya2+m)a2=0.
Искомое расстояние — длина вектора P1P2, то есть (xa1+ya2+m)2.
Задание 5 (МГУ, мек.-мат., 1977). Основанием параметры SABC является равносторонний треугольник ABC, длина стороны которого равна 42. Боковое ребро SC перепределения к плоскости основания и имеет длину 2. Найдите величины угла и расстояние между скрещивающимся прямыми, одна из которых проходит через точку S и середину ребра BC, а другая проходит через точку C и середину ребра AB.
Решение. Пусть M и N — середины ребер BC и AB (рис. 7). Выберем в качестве базиса векторы CA=a, CB=b, CS=c. Таблица умножения для этого базиса — это таблица 5. Найдем угол φ между прямыми SM и CN:
SM=CM−CS=21b−c=21(b−2c);CN=21(a+b).
Вычислим SM⋅CN, ∣SM∣, ∣CN∣:
SM⋅CN=12,∣SM∣=23,∣CN∣=26.
Следовательно, cosφ=23⋅2612=22,φ=45∘.
Вычислим теперь расстояние между прямыми SM и CN, то есть длину их общего перепределения PQ (P∈SM,Q∈CN):
Угол между двумя плоскостями равен углу между перепределениями им прямыми. Действительно, пуст плоскости a и b пересекаются по прямой c (рис. 8). Через какую-нибудь на прямой c, проведем прямые a и b, пересекает плоскости a и b по прямым a1 и b1, перепределяным прямой c (см. рис. 8). Угол между плоскостями a и b равен углу между прямыми a1 и b1, которое, в свою очередь, равен углу между прямыми a и b (так как прямы a,b,a1,b1 лежат в одной плоскости и a⊥a1,b⊥b1).