14268. Боковые грани правильной треугольной пирамиды
ABCD
с вершиной
D
— прямоугольные треугольники. Точки
M
и
N
— середины рёбер
AB
и
DC
соответственно,
AB=1
.
а) Найдите угол и расстояние между прямыми
CM
и
AN
.
б) В каком отношении общий перпендикуляр скрещивающихся прямых
CM
и
AN
делит эти отрезки?
Ответ. а)
\varphi=\arccos\frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{15}}
;
d=\frac{1}{2\sqrt{7}}
.
б)
AX:XN=6:1
;
CY:YM=1:6
.
Решение. Заметим, что боковые грани данной пирамиды — прямоугольные треугольники с прямыми углами при вершине
D
.
а)
Первый способ. Пусть
O
— центр равностороннего треугольника
ABC
,
P
— вершина прямоугольника
DPMO
,
Q
— ортогональная проекция точки
N
на плоскость
APB
, т. е. середина отрезка
PM
. Плоскость
APB
перпендикулярна прямой
CM
, значит (см. задачу 8406), расстояние
d
между скрещивающимися прямыми
CM
и
AN
равно расстоянию от точки
M
до ортогональной проекции
AQ
прямой
AN
на плоскость
APB
, а угол
\varphi
между этими прямыми равен острому углу
ANQ
прямоугольного треугольника
ANQ
.
В прямоугольном треугольнике
COD
известны гипотенуза
CD=\frac{\sqrt{2}}{2}
и катет
CO=\frac{\sqrt{3}}{3}
, поэтому
PM=DO=\sqrt{CD^{2}-CO^{2}}=\sqrt{\frac{1}{2}-\frac{1}{3}}=\frac{1}{\sqrt{6}}.

Тогда
MQ=\frac{1}{2}PM=\frac{1}{2\sqrt{6}}
.
Пусть
MH
— высота прямоугольного треугольника
AMQ
. Тогда (см. задачу 1967)
d=MH=\frac{AM\cdot MQ}{AQ}=\frac{AM\cdot MQ}{\sqrt{AM^{2}+MQ^{2}}}=\frac{\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2\sqrt{6}}}{\sqrt{\frac{1}{4}+\frac{1}{24}}}=\frac{1}{2\sqrt{7}}.

Отрезок
NQ
— средняя линия прямоугольной трапеции
CDPM
, поэтому
NQ=\frac{1}{2}(CM+DP)=\frac{1}{2}(CM+OM)=\frac{1}{2}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{\sqrt{3}}{6}\right)=\frac{\sqrt{3}}{3}.

Следовательно,
\cos\varphi=\frac{NQ}{AN}=\frac{NQ}{\sqrt{AD^{2}+DN^{2}}}=\frac{\frac{\sqrt{3}}{3}}{\sqrt{\frac{1}{2}+\frac{1}{8}}}=\frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{15}}.

Второй способ. Пусть
V
и
v
— объёмы тетраэдров
DABC
и
NACM
соответственно. Тогда
V=\frac{1}{3}S_{\triangle ABC}\cdot DO=\frac{1}{3}\cdot\frac{\sqrt{3}}{4}\cdot\frac{1}{\sqrt{6}}=\frac{1}{12\sqrt{2}},

v=\frac{1}{3}S_{\triangle ACM}\cdot\frac{1}{2}DO=\frac{1}{3}\cdot\frac{1}{2}S_{\triangle ABC}\cdot\frac{1}{2}DO=\frac{1}{4}\cdot\frac{1}{3}S_{\triangle ABC}\cdot DO=\frac{1}{4}V=\frac{1}{48\sqrt{2}}

С другой стороны (см. задачу 7234)
v=\frac{1}{6}AN\cdot CM\cdot d\cdot\sin\varphi=\frac{1}{6}AN\cdot CM\cdot d\cdot\sqrt{1-\cos^{2}\varphi}=\frac{1}{6}\cdot\frac{\sqrt{5}}{2\sqrt{2}}\cdot d\sqrt{1-\frac{8}{15}}=\frac{d\sqrt{7}}{24\sqrt{2}}.

Из равенства
\frac{d\sqrt{7}}{24\sqrt{2}}=\frac{1}{48\sqrt{2}}
находим, что
d=\frac{1}{2\sqrt{7}}
.
б) Пусть
XY
— общий перпендикуляр скрещивающихся прямых
CM
и
AN
, причём точка
X
лежит на прямой
AN
, а точка
Y
— на
CM
(рис. 2). Тогда
HXYM
— прямоугольник, поэтому (см. задачу 1946)
\frac{AX}{XN}=\frac{AH}{HQ}=\frac{MA^{2}}{MQ^{2}}=\frac{\frac{1}{4}}{\frac{1}{24}}=6

(см. задачу 1946). Из подобия треугольников
AXH
и
ANQ
находим, что
XH=\frac{AH}{AQ}\cdot NQ=\frac{6}{7}\cdot\frac{\sqrt{3}}{3}=\frac{2\sqrt{3}}{7}.

Следовательно,
\frac{CY}{YM}=\frac{CM-MY}{MY}=\frac{CM-XH}{XH}=\frac{\frac{\sqrt{3}}{3}-\frac{2\sqrt{3}}{7}}{\frac{2\sqrt{3}}{7}}=\frac{1}{6}.