9999. Точка
M
— середина ребра
BC
единичного куба
ABCDA_{1}B_{1}C_{1}D_{1}
. Найдите угол и расстояние между прямыми
BA_{1}
и
MB_{1}
.
Ответ.
\arccos\sqrt{\frac{2}{5}}
;
\frac{1}{\sqrt{6}}
.
Решение. Пусть
N
— середина ребра
AD
. Тогда
NA_{1}\parallel MB_{1}
, поэтому угол
\alpha
между скрещивающимися прямыми
BA_{1}
и
MB_{1}
равен углу между пересекающимися прямыми
BA_{1}
и
A_{1}N
, т. е. углу
BA_{1}N
или смежному с ним углу.
По теореме Пифагора
A_{1}N=BN=\sqrt{AB^{2}+AN^{2}}=\sqrt{1+\frac{1}{4}}=\frac{\sqrt{5}}{2},

а так как треугольник
BA_{1}N
равнобедренный, то
\cos\alpha=\cos\angle BA_{1}N=\frac{\frac{1}{2}AB_{1}}{BN}=\frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac{\sqrt{5}}{2}}=\sqrt{\frac{2}{5}}.

Следовательно,
\alpha=\arccos\sqrt{\frac{2}{5}}
.
Поскольку
NA_{1}\parallel MB_{1}
, прямая
MB_{1}
параллельна плоскости
BA_{1}N
, поэтому расстояние
d
между скрещивающимися прямыми
BA_{1}
и
MB_{1}
равно расстоянию от произвольной точки прямой
MB_{1}
, например, от точки
M
, до плоскости
BA_{1}N
(см. задачу 7889), а так как наклонная
AM
к плоскости
BA_{1}N
делится этой плоскостью пополам, то
d
равно расстоянию от точки
A
до плоскости
BA_{1}N
(см. задачу 9180).
Пусть
AP
— высота прямоугольного треугольника
ABN
. Тогда (см. задачу 1967)
AP=\frac{AB\cdot AN}{BN}=\frac{1\cdot\frac{1}{2}}{\frac{\sqrt{5}}{2}}=\frac{1}{\sqrt{5}}.

Пусть
AH
— высота прямоугольного треугольника
APA_{1}
. Тогда
AH\perp A_{1}P
и
AH\perp BN
, поэтому по признаку перпендикулярности прямой и плоскости
AH
— перпендикуляр к плоскости
BA_{1}N
. Следовательно,
d=AH=\frac{AP\cdot AA_{1}}{A_{1}P}=\frac{\frac{1}{\sqrt{5}}\cdot1}{\sqrt{1+\frac{1}{5}}}=\frac{1}{\sqrt{6}}.