7255. Дан куб
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
. На отрезках
AB_{1}
и
BC_{1}
взяты точки
P
и
Q
, причём
AP:PB_{1}=C_{1}Q:QB=2:1
. Докажите, что отрезок
PQ
перпендикулярен прямым
AB_{1}
и
C_{1}B
, и найдите его длину, если ребро куба равно
a
.
Ответ.
\frac{a}{\sqrt{3}}
.
Указание. Примените скалярное произведение векторов.
Решение. Обозначим
AB=x
,
AD=y
,
AA_{1}=z
,
\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{x}
,
\overrightarrow{AD}=\overrightarrow{y}
,
\overrightarrow{AA_{1}}=\overrightarrow{z}
,
x=y=z=a
. Тогда
\overrightarrow{AB_{1}}=\overrightarrow{x}+\overrightarrow{z},~\overrightarrow{BC_{1}}=\overrightarrow{y}+\overrightarrow{z},

\overrightarrow{PQ}=\overrightarrow{PB_{1}}+\overrightarrow{B_{1}C_{1}}+\overrightarrow{C_{1}Q}=\frac{1}{3}\overrightarrow{AB_{1}}+\overrightarrow{B_{1}C_{1}}-\frac{2}{3}\overrightarrow{BC_{1}}=

=\frac{1}{3}(\overrightarrow{x}+\overrightarrow{z})+\overrightarrow{y}-\frac{2}{3}(\overrightarrow{y}+\overrightarrow{z})=\frac{1}{3}\overrightarrow{x}+\frac{1}{3}\overrightarrow{y}-\frac{1}{3}\overrightarrow{z}=\frac{1}{3}(\overrightarrow{x}+\overrightarrow{y}-\overrightarrow{z}).

Поэтому
\overrightarrow{PQ}\cdot\overrightarrow{AB_{1}}=\frac{1}{3}(\overrightarrow{x}+\overrightarrow{y}-\overrightarrow{z})(\overrightarrow{x}+\overrightarrow{z})=\frac{1}{3}(\overrightarrow{x}\cdot\overrightarrow{x}-\overrightarrow{z}\cdot\overrightarrow{z})=\frac{1}{3}(a^{2}-a^{2})=0

\overrightarrow{PQ}\cdot\overrightarrow{C_{1}B}=\frac{1}{3}(\overrightarrow{x}+\overrightarrow{y}-\overrightarrow{z})(\overrightarrow{y}+\overrightarrow{z})=\frac{1}{3}(\overrightarrow{y}\cdot\overrightarrow{y}-\overrightarrow{z}\cdot\overrightarrow{z})=\frac{1}{3}(a^{2}-a^{2})=0.

Следовательно,
PQ\perp AB_{1}
и
PQ\perp C_{1}B
. Далее имеем:
PQ^{2}=\frac{1}{9}(\overrightarrow{x}+\overrightarrow{y}-\overrightarrow{z})^{2}=\frac{1}{9}(\overrightarrow{x}^{2}+\overrightarrow{y}^{2}+\overrightarrow{z}^{2})=\frac{1}{9}(a^{2}+a^{2}+a^{2})=\frac{1}{3}a^{2}.

Следовательно,
PQ=\frac{a}{\sqrt{3}}
.