Расстояние между скрещивающимися прямыми в пространстве формула. Четыре способа решения задач на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми

Статья нацелена на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми методом координат. Будет рассмотрено определение расстояния между этими прямыми, получим алгоритм при помощи которого преобразуем нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми. Закрепим тему решением подобных примеров.

Yandex.RTB R-A-339285-1

Предварительно необходимо доказать теорему, которая определяет связь между заданными скрещивающимися прямыми.

Раздел взаимного расположения прямых в пространстве говорит о том, что если две прямые называют скрещивающимися, если их расположение не в одной плоскости.

Теорема

Через каждую пару скрещивающихся прямых может проходить плоскость, параллельная данной, причем только одна.

Доказательство

По условию нам даны скрещивающиеся прямые a и b . Необходимо доказать проходимость единственной плоскости через прямую b , параллельную данной прямой a . Аналогичное доказательство необходимо применять для прямой a , через которую проходит плоскость, параллельная данной прямой b .

Для начала необходимо отметить точку Q на прямой b . Если следовать из определения параллельности прямых, то получаем, что через точку пространства можно провести прямую, параллельную заданной прямой, причем только одну. Значит, через точку Q проходит только одна прямая, параллельная прямой a . Примем обозначение а а 1 .

Раздел способов задания плоскости было говорено о том, что прохождение единственной плоскости возможно через две пересекающиеся прямые. Значит, получаем, что прямые b и а 1 – пересекающиеся прямые, через которые проходит плоскость, обозначаемая χ .

Исходя из признака параллельности прямой с плоскостью, можно сделать вывод, что заданная прямая a параллельна относительно плоскости χ , потому как прямая a параллельна прямой а 1 , расположенной в плоскости χ .

Плоскость χ является единственной, так как прямая, проходящая через заданную прямую, находящуюся в пространстве, параллельна заданной прямой. Рассмотрим на рисунке, предоставленном ниже.

При переходе от определения расстояния между скрещивающимися прямыми определяем расстояние через расстояние между прямой и параллельной ей плоскостью.

Определение 1

Называют расстояние между одной из скрещивающихся прямых и параллельной ей плоскостью, проходящей через другую прямую.

То есть расстояние между прямой и плоскостью является расстоянием от заданной точки к плоскости. Тогда применима формулировка определения расстояния между скрещивающимися прямыми.

Определение 2

Расстоянием между скрещивающимися прямыми называют расстояние от некоторой точки скрещивающихся прямых к плоскости, проходящей через другую прямую, параллельную первой прямой.

Произведем подробное рассмотрение прямых a и b . Точка М 1 располагается на прямой a , через прямую b проводится плоскость χ , параллельная прямой a . Из точки М 1 проводим перпендикуляр М 1 Н 1 к плоскости χ . Длина этого перпендикуляра является расстоянием между скрещивающимися прямыми a и b . Рассмотрим на рисунке, приведенном ниже.

Нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми – теория, примеры, решения

Расстояния между скрещивающимися прямыми находятся при построении отрезка. Искомое расстояние равняется длине этого отрезка. По условию задачи его длина находится по теореме Пифагора, по признакам равенства или подобия треугольников или другим.

Когда имеем трехмерное пространство с системой координат О х у z с заданными в ней прямыми a и b , то вычисления следует проводить, начиная с расстояния между заданными скрещивающимися при помощи метода координат. Произведем подробное рассмотрение.

Пусть по условию χ является плоскостью, проходящей через прямую b , которая параллельна прямой a . Искомое расстояние между скрещивающимися прямыми a и b равняется расстоянию от точки М 1 , расположенной на прямой a , к плоскости _ χ . Для того, чтобы получить нормальное уравнение плоскости χ , необходимо определить координаты точки M 1 (x 1 , y 1 , z 1) , расположенной на прямой a . Тогда получим cos α · x + cos β · y + cos γ · z - p = 0 , которое необходимо для определения расстояния M 1 H 1 от точки M 1 x 1 , y 1 , z 1 к плоскости χ . Вычисления производятся по формуле M 1 H 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 + cos γ · z 1 - p . Необходимое расстояние равняется искомому расстоянию между скрещивающимися прямыми.

Данная задача предполагает получение координат точки М 1 , которая располагается на прямой a , нахождение нормального уравнения плоскости χ .

Определение координат точки М 1 необходимо и возможно при знании основных видов уравнений прямой в пространстве. Чтобы получить уравнение плоскости χ , необходимо остановиться подробней на алгоритме вычисления.

Если координаты x 2 , y 2 , z 2 будут определены при помощи точки М 2 , через которую проведена плоскость χ , получаем нормальный вектор плоскости χ в виде вектора n → = (A , B , C) . Следуя из этого, можно записать общее уравнение плоскости χ в виде A · x - x 2 + B · (y - y 2) + C · (z - z 2) = 0 .

Вместо точки М 2 может быть взята любая другая точка, принадлежащая прямой b , потому как плоскость χ проходит через нее. Значит, координаты точки М 2 найдены. Необходимо перейти к нахождению нормального вектора плоскости χ .

Имеем, что плоскость χ проходит через прямую b , причем параллельна прямой a . Значит, нормальный вектор плоскости χ перпендикулярен направляющему вектору прямой a , обозначим a → , и направляющему вектору прямой b , обозначим b → . Вектор n → будет равняться векторному произведению a → и b → , что значит, n → = a → × b → . После определения координат a x , a y , a z и b x , b y , b z направляющих векторов заданных прямых a и b , вычисляем

n → = a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z

Отсюда находим значение координат A , B , C нормального вектора к плоскости χ .

Знаем, что общее уравнение плоскости χ имеет вид A · (x - x 2) + B · (y - y 2) + C · (z - z 2) = 0 .

Необходимо привести уравнение к нормальному виду cos α · x + cos β · y + cos γ · z - p = 0 . После чего нужно произвести вычисления искомого расстояния между скрещивающимися прямыми a и b , исходя из формулы M 1 H 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 + cos γ · z 1 - p .

Чтобы найти расстояние между скрещивающимися прямыми a и b , необходимо следовать алгоритму:

• определение координат (x 1 , y 1 , z 1) и x 2 , y 2 , z 2 точек М 1 и М 2 , расположенных на прямых a и b соответственно;
• получение координат a x , a y , a z и b x , b y , b z , принадлежащим направляющим векторам прямых a и b ;
• нахождение координат A , B , C , принадлежащим вектору n → на плоскости χ , проходящей через прямую b , расположенную параллельно a , по равенству n → = a → × b → = i → j → k → a x a y a z b x b y b z ;
• запись общего уравнения плоскости χ в виде A · x - x 2 + B · (y - y 2) + C · (z - z 2) = 0 ;
• приведение полученного уравнения плоскости χ к уравнению нормального вида cos α · x + cos β · y + cos γ · z - p = 0 ;
• вычисление расстояния M 1 H 1 от M 1 x 1 , y 1 , z 1 к плоскости χ , исходя из формулы M 1 H 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 + cos γ · z 1 - p .

Имеются две скрещивающиеся прямые в прямоугольной системе координат О х у z трехмерного пространства. Прямая a определена параметрическим уравнением прямой в пространстве x = - 2 y = 1 + 2 · λ z = 4 - 3 · λ , прямая b при помощи канонического уравнения прямой в пространстве x 1 = y - 1 - 2 = z + 4 6 . Найти расстояние между скрещивающимися прямыми.

Решение

Понятно, что прямая а пересекает точку M 1 (- 2 , 1 , 4) с направляющим вектором a → = (0 , 2 , - 3) , а прямая b пересекает точку M 2 (0 , 1 , - 4) с направляющим вектором b → = (1 , - 2 , 6) .

Для начала следует произвести вычисление направляющих векторов a → = (0 , 2 , - 3) и b → = (1 , - 2 , 6) по формуле. Тогда получаем, что

a → × b → = i → j → k → 0 2 - 3 1 - 2 6 = 6 · i → - 3 · j → - 2 · k →

Отсюда получаем, что n → = a → × b → - это вектор плоскости χ , который проходит через прямую b параллельно a с координатами 6 , - 3 , - 2 . Получим:

6 · (x - 0) - 3 · (y - 1) - 2 · (z - (- 4)) = 0 ⇔ 6 x - 3 y - 2 z - 5 = 0

Находим нормирующий множитель для общего уравнения плоскости 6 x - 3 y - 2 z - 5 = 0 . Вычислим по формуле 1 6 2 + - 3 2 + - 2 2 = 1 7 . Значит, нормальное уравнение примет вид 6 7 x - 3 7 y - 2 7 z - 5 7 = 0 .

Необходимо воспользоваться формулой, чтобы найти расстояние от точки M 1 - 2 , 1 , 4 до плоскости, заданной уравнением 6 7 x - 3 7 y - 2 7 z - 5 7 = 0 . Получаем, что

M 1 H 1 = 6 7 · (- 2) - 3 7 · 1 - 2 7 · 4 - 5 7 = - 28 7 = 4

Отсюда следует, что искомым расстоянием является расстояние между заданными скрещивающимися прямыми, является значение 4 .

Ответ: 4 .

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Геометрия. 11 класс

Тема урока: Расстояние между скрещивающимися прямыми

Тер-Ованесян Г.Л., учитель высшей категории, лауреат премии Фонда Сороса

г. Москва

Рассмотрим задачу на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми. Расстояние между скрещивающимися прямыми - это длина общего перпендикуляра к этим прямым.

Пусть нам дан куб АВСDА 1 В 1 С 1 D 1 , ребро которого равно единице АВ=1. Нужно найти расстояние между прямыми АВ и DC 1: ρ(АВ;DС 1) - ?

Эти две прямые лежат в параллельных плоскостях: АВ лежит в плоскости АА 1 В 1 В, DС 1 лежит в плоскости D 1 DС 1 С. Найдем сначала перпендикуляр к этим двум плоскостям. Таких перпендикуляров на рисунке много. Это отрезок ВС, В 1 С 1 , А 1 D 1 и AD. Из них имеет смысл выбрать тот отрезок, который не только перпендикулярен этим плоскостям, а значит перпендикулярен и нашим прямым АВ и DC 1 , но и проходит через эти прямые. Такой отрезок - AD. Он одновременно перпендикулярен прямой АВ, потому что перпендикулярен плоскости АА 1 В 1 В и прямой DC 1 , потому что перпендикулярен плоскости D 1 DС 1 С. И значит, что AD - это общий перпендикуляр к скрещивающимся прямым АВ и DC 1 . Расстояние между этими прямыми - длина этого перпендикуляра, то есть длина отрезка АD. Но AD - это ребро куба. Следовательно, расстояние равно 1:

ρ(АВ;DС 1)=AD=1

Рассмотрим ещё одну задачу, чуть более сложную, о нахождении расстояния между скрещивающимися прямыми.

Пусть нам дан опять куб, ребро которого равно единице. Нужно найти расстояние между диагоналями противоположных граней. То есть, дан куб АВСDА 1 В 1 С 1 D 1 . Ребро АВ=1. Нужно найти расстояние между прямыми ВА 1 и DC 1: ρ(А 1 В;DС 1) - ?

Эти две прямые скрещивающиеся, значит, расстояние - это длина общего перпендикуляра. Можно не рисовать общий перпендикуляр, а сформулировать следующим образом: это длина перпендикуляра между параллельными плоскостями, в которых лежат эти прямые. Прямая ВА 1 лежит в плоскости АВВ 1 А 1 , а прямая DC 1 лежит в плоскости D 1 DCC 1 . Они параллельны, значит, расстояние между ними и есть расстояние между этими прямыми. А расстояние между гранями куба - это длина ребра. Например, длина ребра ВС. Потому что ВС перпендикулярно и плоскости АВВ 1 А 1, и плоскости DСС 1 D 1 . Значит, расстояние между прямыми, данными в условии, равно расстоянию между параллельными плоскостями и равно 1:

ρ(А 1 В;DС 1)=ВС=1

Рассмотрим ещё одну задачу о нахождении расстояния между скрещивающимися прямыми.

Пусть у нас дана правильная треугольная призма, у которой известны все ребра. Нужно найти расстояние между ребрами верхнего и нижнего оснований. То есть нам дана призма АВСА 1 В 1 С 1 . Причем, АВ=3=АА 1 . Нужно найти расстояние между прямыми ВС и А 1 С 1: ρ(ВС;А 1 С 1) - ?

Поскольку эти прямые скрещиваются, то расстояние между ними - это длина общего перпендикуляра, или длина перпендикуляра к параллельным плоскостям, в которых они лежат. Найдем эти параллельные плоскости.

Прямая ВС лежит в плоскости АВС, а прямая А 1 С 1 лежит в плоскости А 1 В 1 С 1 . Эти две плоскости параллельны, поскольку это верхнее и нижнее основания призмы. Значит, расстояние между нашими прямыми - это расстояние между этими параллельными плоскостями. А расстояние между ними равно в точности длине бокового ребра АА 1 , то есть равно 3:

ρ(ВС;А 1 С 1)=АА 1 =3

В данной конкретной задаче можно найти не только длину общего перпендикуляра, но и построить его. Для этого мы из всех боковых рёбер выбираем такое, которое имеет общие точки с прямой ВС и А 1 С 1 . На нашем рисунке это ребро СС 1 . Оно будет перпендикулярно прямой А 1 С 1 , поскольку перпендикулярно плоскости верхнего основания, и прямой ВС, поскольку перпендикулярно плоскости нижнего основания. Таким образом, мы можем найти не только расстояние, но и построить этот общий перпендикуляр.

Сегодня на уроке мы вспомнили, как находить длину общего перпендикуляра между скрещивающимися прямыми.

Приведем без доказательств сведения из стереометрии, необходимые для решения названной задачи.

1. Общим перпендикуляром двух скрещивающихся прямых называется отрезок,

концы которого лежат на данных прямых и который перпендикулярен к ним.

2. Общий перпендикуляр двух скрещивающихся прямых существует и единствен.

3. Расстояние между скрещивающимися прямыми равно длине их общего перпендикуляра.

Задача. Даны скрещивающиеся прямые АВ и CD. Определить расстояние между прямыми (рис. 8.7).

Решение задачи выполним методом замены плоскостей проекций. Проекционный алгоритм решения в этом случае может быть следующим:

1) вводится новая система плоскостей проекций

П 1 , П 4 , таким образом, что П 4 // АВ, т.е. на КЧ

строится ось х 1 // А 1 В 1 ;

2) на П 4 строятся новые проекции А 4 В 4 (НВ отрезка АВ) и C 4 D 4 ;

3) вводится новая система плоскостей П 4 , П 5 с

осью х 2 ^ А 4 В 4 такая, что П 5 ^ AB;

4) на П 5 строятся новые проекции – отрезок C 5 D 5 и точка А 5 = В 5 ;

5) строится перпендикуляр E 5 F 5 ^ C 5 D 5 из точки

Е 5 (= А 5 = В 5);

В итоге, по смыслу построений в методе замены плоскостей проекций и приведенному понятию расстояния между скрещивающимися прямыми, получаем, что r(E 5 , C 5 D 5) = r(AB, CD). Для полноты решения задачи необходимо вернуть отрезок EF длиной r(AB, CD) на исходные плоскости проекций:

1) строим E 4 F 4 // x 2 ;

2) строим E 1 F 1 по проекциям E 5 F 5 , E 4 F 4 ; E 2 F 2 по проекциям E 4 F 4 , E 1 F 1 .

Отрезки E 2 F 2 , E 1 F 1 представляют собой основные проекции отрезка EF.

В стереометрии известно еще одно определение рассматриваемого расстояния: расстояние между скрещивающимися прямыми равно расстоянию между параллельными плоскостями, проведенными через эти прямые.

Такое определение расстояния позволяет предложить более короткий путь решения рассматриваемой задачи. Пусть AB и CD – скрещивающиеся прямые (рис. 8.8). Переместим в пространстве прямую АВ параллельно самой себе в положение А 1 В 1 до пересечения с CD. Если взять теперь на прямой АВ любую точку Е и опустить из этой точки перпендикуляр ЕЕ 1 на образовавшуюся плоскость Σ(CD, A 1 B 1), то длина этого перпендикуляра будет искомым расстоянием r(AB,CD). Рассмотрим проекционное решение задачи.

Задача. Даны скрещивающиеся прямые АВ и CD (рис. 8.9). Определить расстояние между ними.

Решение задачи может быть следующим.

1. Перенесем прямую АВ параллельно самой себе до пересечения с CD. Таких

переносов может быть бесконечное множество. Один из переносов, например

А 1 В 1 ® А 1 1 В 1 1 , А 2 В 2 = А 2 1 В 2 1 – наиболее простой для данного КЧ вариант.

2. Получаем новые условия задачи: задана плоскость Σ (А 1 В 1 , CD), где А 1 В 1 Ç CD и точка А; требуется определить расстояние r(А, Σ). Решение задачи выполняется методом замены плоскостей проекций по ранее изложенной схеме проекционного решения.

С помощю этого онлайн калькулятора можно найти расстояние между прямыми в пространстве. Дается подробное решение с пояснениями. Для вычисления расстояния между прямыми в пространстве, задайте вид уравнения прямых ("канонический" или "параметрический"), введите коэффициенты уравнений прямых в ячейки и нажимайте на кнопку "Решить".

×

Предупреждение

Очистить все ячейки?

Закрыть Очистить

Инструкция ввода данных. Числа вводятся в виде целых чисел (примеры: 487, 5, -7623 и т.д.), десятичных чисел (напр. 67., 102.54 и т.д.) или дробей. Дробь нужно набирать в виде a/b, где a и b (b>0) целые или десятичные числа. Примеры 45/5, 6.6/76.4, -7/6.7 и т.д.

Расстояние между прямыми в пространстве − теория, примеры и решения

Пусть задана декартова прямоугольная система координат Oxyz L 1 и L 2:

,

(2)

где M 1 (x 1 , y 1 , z 1) и M 2 (x 2 , y 2 , z 2) − точки, лежащие на прямых L 1 и L 2 , а q 1 ={m 1 , p 1 , l 1 } и q 2 ={m 2 , p 2 , l 2 } − направляющие векторы прямых L 1 и L 2 , соответственно.

Прямые (1) и (2) в пространстве могут совпадать, быть паралленьными, пересекаться, или быть скрещивающимся. Если прямые в пространстве пересекаются или совпадают, то расстояние между ними равно нулю. Мы рассмотрим два случая. Первый − прямые параллельны, и второй − прямые скрещиваются. Остальные являются частыми случаями. Если при вычислении расстояния между параллельными прямыми мы получим расстояние равным нулю, то это значит, что эти прямые совпадают. Если же расстояние между скрещивающимися прямыми равно нулю, то эти прямые пересекаются.

1. Расстояние между параллельными прямыми в пространстве

Рассмотрим два метода вычисления расстояния между прямыми.

Метод 1. От точки M 1 прямой L 1 проводим плоскость α , перпендикулярно прямой L 2 . Находим точку M 3 (x 3 , y 3 , y 3) пересечения плоскости α и прямой L 3 . По сути мы находим проекцию точки M 1 на прямую L 2 . Как найти проекцию точки на прямую посмотрите . Далее вычисляем расстояние между точками M 1 (x 1 , y 1 , z 1) и M 3 (x 3 , y 3 , z 3):

Прямая L 2 проходит через точку M 2 (x 2 , y 2 , z 2)=M

Подставляя значения m 2 , p 2 , l 2 , x 1 , y 1 , z 1 в (5) получим:

Найдем точку пересечения прямой L 2 и плоскости α , для этого построим параметрическое уравнение прямой L 2 .

Чтобы найти точку пересечения прямой L 2 и плоскости α , подставим значения переменных x , y , z из (7) в (6):

Подставляя полученное значение t в (7), получим точку пересеченияпрямой L 2 и плоскости α :

Остается найти расстояние между точками M 1 и M 3:

L 1 и L 2 равно d =7.2506.

Метод 2. Найдем расстояние между прямыми L 1 и L 2 (уравнения (1) и (2)). Во первых, проверяем параллельность прямых L 1 и L 2 . Если направляющие векторы прямых L 1 и L 2 коллинеарны, т.е. если существует такое число λ, что выполнено равенство q 1 =λ q 2 , то прямые L 1 и L 2 параллельны.

Данный метод вычисления расстояния между параллельными векторами основана на понятии векторного произведения векторов. Известно, что норма векторного произведения векторов и q 1 дает площадь параллелограмма, образованного этими векторами (Рис.2). Узнав площадь параллелограмма, можно найти вершину параллелограмма d , разделив площадь на основание q 1 параллелограмма.

q 1:

.

Расстояние между прямыми L 1 и L 2 равно:

,

Пример 2. Решим пример 1 методом 2. Найти расстояние между прямыми

Прямая L 2 проходит через точку M 2 (x 2 , y 2 , z 2)=M 2 (8, 4, 1) и имеет направляющий вектор

Векторы q 1 и q 2 коллинеарны. Следовательно прямые L 1 и L 2 параллельны. Для вычисления расстояния между параллельными прямыми воспользуемся векторным произведением векторов.

Построим вектор ={x 2 −x 1 , y 2 −y 1 , z 2 −z 1 }={7, 2, 0}.

Вычислим векторное произведение векторов и q 1 . Для этого составим 3×3 матрицу, первая строка которой базисные векторы i, j, k , а остальные строки заполнены элементами векторов и q 1:

Таким образом, результатом векторного произведения векторов и q 1 будет вектор:

Ответ: Расстояние между прямыми L 1 и L 2 равно d =7.25061.

2. Расстояние между скрещивающимися прямыми в пространстве

Пусть задана декартова прямоугольная симтема координат Oxyz и пусть в этой системе координат заданы прямые L 1 и L 2 (уравнения (1) и (2)).

Пусть прямые L 1 и L 2 не параллельны (паралельные прямые мы расстотрели в предыдущем параграфе). Чтобы найти расстояние между прямыми L 1 и L 2 нужно построить параллельные плоскости α 1 и α 2 так, чтобы прямая L 1 лежал на плоскости α 1 а прямая L 2 − на плоскости α 2 . Тогда расстояние между прямыми L 1 и L 2 равно расстоянию между плоскостями L 1 и L 2 (Рис. 3).

где n 1 ={A 1 , B 1 , C 1 } − нормальный вектор плоскости α 1 . Для того, чтобы плоскость α 1 проходила через прямую L 1 , нормальный вектор n 1 должен быть ортогональным направляющему вектору q 1 прямой L 1 , т.е. скалярное произведение этих векторов должен быть равным нулю:

Решая систему линейных уравнений (27)−(29), с тремя уравнениями и четыремя неизвестными A 1 , B 1 , C 1 , D 1 , и подставляя в уравнение

Плоскости α 1 и α 2 параллельны, следовательно полученные нормальные векторыn 1 ={A 1 , B 1 , C 1 } и n 2 ={A 2 , B 2 , C 2 } этих плоскостей коллинеарны. Если эти векторы не равны, то можно умножить (31) на некторое число так, чтобы полученный нормальный вектор n 2 совпадал с нормальным вектором уравнения (30).

Тогда расстояние между параллельными плоскостями вычисляется формулой:

(33)

Решение. Прямая L 1 проходит через точку M 1 (x 1 , y 1 , z 1)=M 1 (2, 1, 4) и имеет направляющий вектор q 1 ={m 1 , p 1 , l 1 }={1, 3, −2}.

Прямая L 2 проходит через точку M 2 (x 2 , y 2 , z 2)=M 2 (6, −1, 2) и имеет направляющий вектор q 2 ={m 2 , p 2 , l 2 }={2, −3, 7}.

Построим плоскость α 1 , проходящую через прямую L 1 , параллельно прямой L 2 .

Поскольку плоскость α 1 проходит через прямую L 1 , то она проходит также через точку M 1 (x 1 , y 1 , z 1)=M 1 (2, 1, 4) и нормальный вектор n 1 ={m 1 , p 1 , l 1 } плоскости α 1 перпендикулярна направляющему вектору q 1 прямой L 1 . Тогда уравнение плоскости должна удовлетворять условию:

Так как плоскость α 1 должна быть параллельной прямой L 2 , то должна выполнятся условие:

Представим эти уравнения в матричном виде:

(40)

Решим систему линейных уравнений (40) отностительно A 1 , B 1 , C 1 , D 1.

Среди огромного количества стереометрических задач в учебниках геометрии, в различных сборниках задач, пособиях по подготовке в ВУЗы крайне редко встречаются задачи на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми. Возможно, это обусловлено как узостью их практического применения (относительно школьной программы, в отличие от "выигрышных" задач на вычисление площадей и объемов), так и сложностью данной темы.

Практика проведения ЕГЭ показывает, что многие учащиеся вообще не приступают к выполнению заданий по геометрии, входящих в экзаменационную работу. Для обеспечения успешного выполнения геометрических заданий повышенного уровня сложности необходимо развивать гибкость мышления, способность анализировать предполагаемую конфигурацию и вычленять в ней части, рассмотрение которых позволяет найти путь решения задачи.

Школьный курс предполагает изучение четырех способов решения задач на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми. Выбор способа обусловлен, в первую очередь, особенностями конкретной задачи, предоставленными ею возможностями для выбора, и, во вторую очередь, способностями и особенностями "пространственного мышления" конкретного учащегося. Каждый из этих способов позволяет решить самую главную часть задачи - построение отрезка, перпендикулярного обеим скрещивающимся прямым (для вычислительной же части задач деление на способы не требуется).

Основные способы решения задач на нахождение расстояния между скрещивающимися прямыми

Нахождение длины общего перпендикуляра двух скрещивающихся прямых, т.е. отрезка с концами на этих прямых и перпендикулярного каждой из этих прямых.

Нахождение расстояния от одной из скрещивающихся прямых до параллельной ей плоскости, проходящей через другую прямую.

Нахождение расстояния между двумя параллельными плоскостями, проходящими через заданные скрещивающиеся прямые.

Нахождение расстояния от точки, являющейся проекцией одной из скрещивающихся прямых, на перпендикулярную ей плоскость (так называемый "экран") до проекции другой прямой на ту же самую плоскость.

Проведем демонстрацию всех четырех способов на следующей простейшей задаче : "В кубе с ребром а найти расстояние между любым ребром и диагональю не пересекающей его грани". Ответ: .

Рисунок 1

h скр перпендикулярна плоскости боковой грани, содержащей диагональ d и перпендикулярна ребру, следовательно, h скр и является расстоянием между ребром а и диагональю d .

Рисунок 2

Плоскость A параллельна ребру и проходит через данную диагональ, следовательно, данная h скр является не только расстоянием от ребра до плоскости A, но и расстоянием от ребра до данной диагонали.

Рисунок 3

Плоскости A и B параллельны и проходят через две данные скрещивающиеся прямые, следовательно, расстояние между этими плоскостями равно расстоянию между двумя скрещивающимися прямыми.

Рисунок 4

Плоскость A перпендикулярна ребру куба. При проекции на A диагонали d данная диагональ обращается в одну из сторон основания куба. Данная h скр является расстоянием между прямой, содержащей ребро, и проекцией диагонали на плоскость C, а значит и между прямой, содержащей ребро, и диагональю.

Остановимся подробнее на применении каждого способа для изучаемых в школе многогранников.

Применение первого способа достаточно ограничено: он хорошо применяется лишь в некоторых задачах, так как достаточно сложно определить и обосновать в простейших задачах точное, а в сложных - ориентировочное местоположение общего перпендикуляра двух скрещивающихся прямых. Кроме того, при нахождении длины этого перпендикуляра в сложных задачах можно столкнуться с непреодолимыми трудностями.

Задача 1. В прямоугольном параллелепипеде с размерами a, b, h найти расстояние между боковым ребром и не пересекающейся с ним диагональю основания.

Рисунок 5

Пусть AHBD. Так как А 1 А перпендикулярна плоскости АВСD , то А 1 А AH.

AH перпендикулярна обеим из двух скрещивающихся прямых, следовательно AH?- расстояние между прямыми А 1 А и BD. В прямоугольном треугольнике ABD, зная длины катетов AB и AD, находим высоту AH, используя формулы для вычисления площади прямоугольного треугольника. Ответ:

Задача 2. В правильной 4-угольной пирамиде с боковым ребром L и стороной основания a найти расстояние между апофемой и стороной основания, пересекающей боковую грань, содержащую эту апофему.

Рисунок 6

SHCD как апофема, ADCD, так как ABCD - квадрат. Следовательно, DH - расстояние между прямыми SH и AD. DH равно половине стороны CD. Ответ:

Применение этого способа также ограничено в связи с тем, что если можно быстро построить (или найти уже готовую) проходящую через одну из скрещивающихся прямых плоскость, параллельную другой прямой, то затем построение перпендикуляра из любой точки второй прямой к этой плоскости (внутри многогранника) вызывает трудности. Однако в несложных задачах, где построение (или отыскивание) указанного перпендикуляра трудностей не вызывает, данный способ является самым быстрым и легким, и поэтому доступен.

Задача 2. Решение уже указанной выше задачи данным способом особых трудностей не вызывает.

Рисунок 7

Плоскость EFM параллельна прямой AD, т. к AD || EF. Прямая MF лежит в этой плоскости, следовательно, расстояние между прямой AD и плоскостью EFM равно расстоянию между прямой AD и прямой MF. Проведем OHAD. OHEF, OHMO, следовательно, OH(EFM), следовательно, OH - расстояние между прямой AD и плоскостью EFM, а значит, и расстояние между прямой AD и прямой MF. Находим OH из треугольника AOD.

Задача 3. В прямоугольном параллелепипеде с размерами a,b и h найти расстояние между боковым ребром и не пересекающейся с ним диагональю параллелепипеда.

Рисунок 8

Прямая AA 1 параллельна плоскости BB 1 D 1 D, B 1 D принадлежит этой плоскости, следовательно расстояние от AA 1 до плоскости BB 1 D 1 D равно расстоянию между прямыми AA 1 и B 1 D. Проведем AHBD. Также, AH B 1 B, следовательно AH(BB 1 D 1 D), следовательно AHB 1 D, т. е. AH - искомое расстояние. Находим AH из прямоугольного треугольника ABD.

Ответ:

Задача 4. В правильной шестиугольной призме A:F 1 c высотой h и стороной основания a найти расстояние между прямыми:

Рисунок 9 Рисунок 10

а) AA 1 и ED 1 .

Рассмотрим плоскость E 1 EDD 1 . A 1 E 1 EE 1 , A 1 E 1 E 1 D 1 , следовательно

A 1 E 1 (E 1 EDD 1). Также A 1 E 1 AA 1 . Следовательно, A 1 E 1 является расстоянием от прямой AA 1 до плоскости E 1 EDD 1 . ED 1 (E 1 EDD 1)., следовательно AE 1 - расстояние от прямой AA 1 до прямой ED 1 . Находим A 1 E 1 из треугольника F 1 A 1 E 1 по теореме косинусов. Ответ:

б) AF и диагональю BE 1 .

Проведем из точки F прямую FH перпендикулярно BE. EE 1 FH, FHBE, следовательно FH(BEE 1 B 1), следовательно FH является расстоянием между прямой AF и (BEE 1 B 1), а значит и расстоянием между прямой AF и диагональю BE 1 . Ответ:

СПОСОБ III

Применение этого способа крайне ограничено, так как плоскость, параллельную одной из прямых (способ II) строить легче, чем две параллельные плоскости, однако способ III можно использовать в призмах, если скрещивающиеся прямые принадлежат параллельным граням, а также в тех случаях, когда в многограннике несложно построить параллельные сечения, содержащие заданные прямые.

Задача 4.

Рисунок 11

а) Плоскости BAA 1 B 1 и DEE 1 D 1 параллельны, так как AB || ED и AA 1 || EE 1 . ED 1 DEE 1 D 1 , AA 1 (BAA 1 B 1), следовательно, расстояние между прямыми AA 1 и ED 1 равно расстоянию между плоскостями BAA 1 B 1 и DEE 1 D 1 . A 1 E 1 AA 1 , A 1 E 1 A 1 B 1 , следовательно, A 1 E 1 BAA 1 B 1 . Аналогично доказываем, что A 1 E 1 (DEE 1 D 1). Т.о., A 1 E 1 является расстоянием между плоскостями BAA 1 B 1 и DEE 1 D 1 , а значит, и между прямыми AA 1 и ED 1 . Находим A 1 E 1 из треугольника A 1 F 1 E 1 , который является равнобедренным с углом A 1 F 1 E 1 , равным . Ответ:

Рисунок 12

б) Расстояние между AF и диагональю BE 1 находится аналогично.

Задача 5. В кубе с ребром а найти расстояние между двумя непересекающимися диагоналями двух смежных граней.

Данная задача рассматривается как классическая в некоторых пособиях, но, как правило, ее решение дается способом IV, однако является вполне доступной для решения с помощью способа III.

Рисунок 13

Некоторую трудность в данной задаче вызывает доказательство перпендикулярности диагонали A 1 C обеим параллельным плоскостям (AB 1 D 1 || BC 1 D). B 1 CBC 1 и BC 1 A 1 B 1 , следовательно, прямая BC 1 перпендикулярна плоскости A 1 B 1 C, и следовательно, BC 1 A 1 C. Также, A 1 CBD. Следовательно, прямая A 1 C перпендикулярна плоскости BC 1 D. Вычислительная же часть задачи особых трудностей не вызывает, так как h скр = EF находится как разность между диагональю куба и высотами двух одинаковых правильных пирамид A 1 AB 1 D 1 и CC 1 BD.

СПОСОБ IV.

Данный способ имеет достаточно широкое применение. Для задач средней и повышенной трудности его можно считать основным. Нет необходимости применять его только тогда, когда один из трех предыдущих способов работает проще и быстрее, так как в таких случаях способ IV может только усложнить решение задачи, или сделать его труднодоступным. Данный способ очень выгодно использовать в случае перпендикулярности скрещивающихся прямых, так как нет необходимости построения проекции одной из прямых на "экран"

Задача 5. Все та же "классическая" задача (с непересекающимися диагоналями двух смежных граней куба) перестает казаться сложной, как только находится "экран" - диагональное сечение куба.

Рисунок 14

Экран:

Рисунок 15

Рассмотрим плоскость A 1 B 1 CD. C 1 F (A 1 B 1 CD), т. к. C 1 FB 1 C и C 1 FA 1 B 1 . Тогда проекцией C 1 D на "экран" будет являться отрезок DF. Проведем EMDF. Отрезок EM и будет являться расстоянием между двумя непересекающимися диагоналями двух смежных граней. Находим EM из прямоугольного треугольника EDF. Ответ:.

Задача 6. В правильной треугольной пирамиде найти расстояние и угол между скрещивающимися прямыми: боковым ребром l и стороной основания a .

Рисунок 16

В данной и аналогичных ей задачах способ IV быстрее других способов приводит к решению, так как построив сечение, играющее роль "экрана", перпендикулярно AC (треугольник BDM), видно, что далее нет необходимости строить проекцию другой прямой (BM) на этот экран. DH - искомое расстояние. DH находим из треугольника MDB, используя формулы площади. Ответ: .