Відстані та кути у просторі
Стереометрія починається з переліку того, як прямі й площини можуть бути розташовані одна щодо одної. Це найабстрактніша частина курсу, але саме з неї виростають усі подальші обчислення: щоб знайти кут між ребром і гранню чи відстань від вершини до площини, треба спершу побудувати правильний прямокутний трикутник. На НМТ ця тема дає переважно обчислювальні задачі — на діагональ паралелепіпеда, відстань між точками й кут нахилу.
Прямі й площини у просторі
У просторі дві прямі можуть перетинатися, бути паралельними або мимобіжними (не лежати в одній площині). Пряма і площина — паралельні, перетинаються або пряма лежить у площині. Дві площини або паралельні, або перетинаються по прямій.
Пряму називають перпендикулярною до площини, якщо вона перпендикулярна до кожної прямої цієї площини (достатньо — до двох прямих, що перетинаються).
Мимобіжні прямі — те, чого немає на площині, і саме тому вони найменш звичні. Наочний приклад: у прямокутному паралелепіпеді ребро нижньої основи й непаралельне йому ребро верхньої основи мимобіжні — вони не перетинаються, але й не паралельні, бо лежать у різних площинах.
Уточнення в дужках («достатньо — до двох прямих, що перетинаються») робить означення робочим: перевіряти нескінченно багато прямих неможливо, а дві — цілком. Саме цією ознакою доводять, що висота піраміди перпендикулярна до основи.
Координати у просторі
Кожна точка задається трійкою . Відстань між точками і :
Це — просторовий аналог формули відстані на площині (додається третя координата).
Знайдемо відстань між точками і .
- Різниці координат: , , ;
- підносимо до квадрата й додаємо: ;
- добуваємо корінь: .
Відповідь: . Зауваж, що знаки різниць не мають значення — вони все одно підносяться до квадрата.
Діагональ прямокутного паралелепіпеда
Для паралелепіпеда з вимірами діагональ дорівнює:
Для куба (усі ребра рівні, ) формула спрощується:
Діагональ паралелепіпеда виводять двома кроками: спершу діагональ основи , а потім гіпотенузу прямокутного трикутника з катетами і — виходить .
У задачах про паралелепіпед фігурують дві різні діагоналі: діагональ грані ( — плоска, лежить на поверхні) і діагональ тіла ( — проходить усередині). Для куба це відповідно і . Уважно читай, про яку саме питає умова.
Кут між прямою і площиною
Кут між прямою і площиною — це кут між прямою та її проєкцією на площину (). Його знаходять із прямокутного трикутника «похила — проєкція — перпендикуляр»:
Якщо пряма лежить у площині, кут ; якщо перпендикулярна до неї — .
Цей прямокутний трикутник — головний інструмент теми. У ньому похила завжди гіпотенуза (вона найдовша), а перпендикуляр і проєкція — катети. Звідси й корисне правило: з однієї точки коротша похила має коротшу проєкцію.
З точки, віддаленої від площини на , проведено похилу довжиною . Знайдемо кут між похилою і площиною.
- Перпендикуляр — катет, протилежний шуканому куту: ;
- отже ;
- звідси .
Відповідь: . Заразом можна знайти й проєкцію: .
Двогранний кут
Двогранний кут — фігура з двох півплощин (граней) зі спільним ребром. Його величину вимірюють лінійним кутом — кутом між двома променями, що виходять із точки ребра перпендикулярно до нього в кожній грані. Якщо грані перпендикулярні, двогранний кут дорівнює .
Ключове слово тут — перпендикулярно до ребра. Якщо взяти два промені абияк, дістанеш не той кут. Тому в задачах про двогранний кут перший крок завжди однаковий: побудувати лінійний кут, тобто знайти на ребрі точку й провести з неї два перпендикуляри.
Типові помилки
- Плутають діагональ грані з діагоналлю тіла. Для куба це проти .
- Забувають третю координату у формулі відстані.
- Вважають мимобіжні прямі паралельними. Мимобіжні не лежать в одній площині, тому говорити про паралельність до них не можна.
- Беруть кут між прямою і площиною як кут із будь-якою прямою площини. Потрібен кут саме з проєкцією — він найменший із можливих.
- Будують лінійний кут двогранного кута не перпендикулярно до ребра.
Перевір себе
Діагональ куба вводь як 5*sqrt(3) або 5√3 — перевірка порівнює чисельно.