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 (x;y;z)(x;\,y;\,z). Відстань між точками A(x1;y1;z1)A(x_1;y_1;z_1) і B(x2;y2;z2)B(x_2;y_2;z_2):

d=(x2x1)2+(y2y1)2+(z2z1)2.d = \sqrt{(x_2-x_1)^2 + (y_2-y_1)^2 + (z_2-z_1)^2}.

Це — просторовий аналог формули відстані на площині (додається третя координата).

Приклад 1 — відстань між точками простору

Знайдемо відстань між точками A(2;1;3)A(2;\,1;\,-3) і B(4;3;1)B(4;\,-3;\,1).

  1. Різниці координат: 42=24-2 = 2, 31=4-3-1 = -4, 1(3)=41-(-3) = 4;
  2. підносимо до квадрата й додаємо: 4+16+16=364 + 16 + 16 = 36;
  3. добуваємо корінь: d=6d = 6.

Відповідь: 66. Зауваж, що знаки різниць не мають значення — вони все одно підносяться до квадрата.

Діагональ прямокутного паралелепіпеда

Для паралелепіпеда з вимірами a,b,ca, b, c діагональ дорівнює:

d=a2+b2+c2.d = \sqrt{a^2 + b^2 + c^2}.

Для куба (усі ребра рівні, a=b=ca=b=c) формула спрощується:

d=a2+a2+a2=a3.d = \sqrt{a^2+a^2+a^2} = a\sqrt{3}.

Дві теореми Піфагора

Діагональ паралелепіпеда виводять двома кроками: спершу діагональ основи a2+b2\sqrt{a^2+b^2}, а потім гіпотенузу прямокутного трикутника з катетами a2+b2\sqrt{a^2+b^2} і cc — виходить a2+b2+c2\sqrt{a^2+b^2+c^2}.

Діагональ грані чи діагональ тіла

У задачах про паралелепіпед фігурують дві різні діагоналі: діагональ грані (a2+b2\sqrt{a^2+b^2} — плоска, лежить на поверхні) і діагональ тіла (a2+b2+c2\sqrt{a^2+b^2+c^2} — проходить усередині). Для куба це відповідно a2a\sqrt{2} і a3a\sqrt{3}. Уважно читай, про яку саме питає умова.

Кут між прямою і площиною

Кут між прямою і площиною — це кут φ\varphi між прямою та її проєкцією на площину (0φ900^\circ \le \varphi \le 90^\circ). Його знаходять із прямокутного трикутника «похила — проєкція — перпендикуляр»:

sinφ=висота (перпендикуляр)похила,cosφ=проєкціяпохила.\sin\varphi = \dfrac{\text{висота (перпендикуляр)}}{\text{похила}}, \qquad \cos\varphi = \dfrac{\text{проєкція}}{\text{похила}}.

Якщо пряма лежить у площині, кут =0= 0^\circ; якщо перпендикулярна до неї — 9090^\circ.

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.

Приклад 2 — кут нахилу похилої

З точки, віддаленої від площини на 66, проведено похилу довжиною 1212. Знайдемо кут між похилою і площиною.

  1. Перпендикуляр — катет, протилежний шуканому куту: sinφ=612\sin\varphi = \dfrac{6}{12};
  2. отже sinφ=0,5\sin\varphi = 0{,}5;
  3. звідси φ=30°\varphi = 30°.

Відповідь: 30°30°. Заразом можна знайти й проєкцію: p=12262=108=63p = \sqrt{12^2 - 6^2} = \sqrt{108} = 6\sqrt{3}.

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 9090^\circ.

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 a2a\sqrt{2} проти a3a\sqrt{3}.
  • 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

Порада щодо вводу

Діагональ куба вводь як 5*sqrt(3) або 5√3 — перевірка порівнює чисельно.

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Діагональ паралелепіпеда

    Виміри прямокутного паралелепіпеда 1,12,12. 1, 12, 12. Знайдіть діагональ.

    Відповідь: 1717

    Розв'язання: d=12+122+122=289=17d = \sqrt{1^2+12^2+12^2} = \sqrt{289} = 17
  2. Приклад 2. Діагональ куба

    Ребро куба дорівнює 2. 2. Знайдіть діагональ куба.

    Відповідь: 2sqrt(3)2*sqrt(3)

    Розв'язання: d=23 (=322=12)d = 2\sqrt{3} \ \left(= \sqrt{3\cdot 2^2} = \sqrt{12}\right)
  3. Приклад 3. Відстань у просторі

    Знайдіть відстань між точками A(1;1;4) A(-1;-1;4) і B(3;4;2). B(-3;-4;-2).

    Відповідь: 77

    Розв'язання: d=22+32+62=49=7d = \sqrt{2^2+3^2+6^2} = \sqrt{49} = 7