9359. Два правильных тетраэдра
ABCD
и
ABCE
имеют общее основание
ABC
и расположены по разные стороны от него. Точки
M
и
N
— середины рёбер
AB
и
BC
соответственно. Найдите угол между прямыми:
а)
AD
и
BE
; б)
DM
и
EN
.
Ответ. а)
\arccos\frac{5}{6}
; б)
\arccos\frac{17}{18}
.
Решение. а) Пусть рёбра тетраэдров равны
a
,
O
— центр общего основания
ABC
тетраэдров,
K
— середина ребра
BD
. Тогда
OK
и
MK
— средние линии треугольников
BDE
и
ABD
, поэтому
OK\parallel BE
и
MK\parallel AD
. Значит, угол между скрещивающимися прямыми
AD
и
BE
равен углу между пересекающимися прямыми
OK
и
MK
, т. е. углу
MKO
при вершине равнобедренного треугольника
MKO
со сторонами
OK=MK=\frac{1}{2}AD=\frac{a}{2},~OM=\frac{1}{3}CM=\frac{1}{3}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}=\frac{\sqrt{3}}{6}.

По теореме косинусов
\cos\angle MKO=\frac{OK^{2}+MK^{2}-OM^{2}}{2OK\cdot MK}=\frac{\frac{a^{2}}{4}+\frac{a^{2}}{4}-\frac{a^{2}}{12}}{2\cdot\frac{a}{2}\cdot\frac{a}{2}}=\frac{5}{6}.

Следовательно, искомый угол равен
\arccos\frac{5}{6}
.
б) Пусть
L
— середина отрезка
OA
. Тогда
OL=\frac{1}{2}OA=ON
, а так как
ML
— средняя линия треугольника
ABN
, то
ML=\frac{1}{2}OB=\frac{1}{2}OA
. Диагонали
NL
и
DE
четырёхугольника
DNEL
пересекаются в точке
O
и делятся ею пополам, значит, это параллелограмм (даже ромб). Тогда
DL\parallel EN
, и угол между скрещивающимися прямыми
DM
и
EN
равен углу между пересекающимися прямыми
DM
и
DL
, т. е. углу
LDM
равнобедренного треугольника
LDM
со сторонами
DL=DM=\frac{a\sqrt{3}}{2},~ML=\frac{1}{2}OA=\frac{a\sqrt{3}}{6}.

По теореме косинусов
\cos\angle LDM=\frac{DL^{2}+DM^{2}-LM^{2}}{2DL\cdot DM}=\frac{\frac{3a^{2}}{4}+\frac{3a^{2}}{4}-\frac{a^{2}}{12}}{2\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}}=\frac{17}{18}.

Следовательно, искомый угол равен
\arccos\frac{17}{18}
.