14248. Все рёбра правильной четырёхугольной пирамиды
SABCD
равны
a
, точки
M
и
N
— середины боковых рёбер
SA
и
SD
. Найдите: а) угол между прямыми
BM
и
AN
; б) расстояние между прямыми
BM
и
AN
.
Ответ. а)
\varphi=\arccos\frac{1}{6}
; б)
d=a\sqrt{\frac{2}{35}}
.
Решение. а) На продолжении ребра
AD
за точку
A
отложим отрезок
AE=MN=\frac{1}{2}AD=\frac{a}{2}.

Тогда
AEMN
— параллелограмм, поэтому
EM\parallel AN
, а угол
\varphi
между скрещивающимися прямыми
BM
и
AN
равен углу между пересекающимися прямыми
ME
и
MB
, т. е. углу
BME
или смежному с ним углу.
Из прямоугольного треугольника
BAE
находим, что
BE=\sqrt{AB^{2}+QE^{2}}=\sqrt{a^{2}+\frac{a^{2}}{4}}=\frac{a\sqrt{5}}{2}.

По теореме косинусов
\cos\angle BME=\frac{BM^{2}+EM^{2}-BE^{2}}{2BM\cdot EM}=\frac{\frac{3}{4}a^{2}+\frac{3}{4}a^{2}-\frac{5}{4}a^{2}}{2\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}}=\frac{1}{6}\gt0.

Следовательно,
\varphi=\arccos\frac{1}{6}=\arcsin\frac{\sqrt{35}}{6}
.
б)
Первый способ. Прямая
AN
параллельна плоскости
BME
, так как эта прямая параллельна прямой
EM
, лежащей в этой плоскости. Значит, расстояние между скрещивающимися прямыми
BM
и
AN
равно расстоянию от произвольной точки прямой
AN
(например, от точки
A
) до плоскости
BME
(см. задачу 7889).
Пусть
Q
— середина основания
BC
равнобедренного треугольника
BME
,
O
— центр квадрата
ABCD
,
AP
— высота прямоугольного треугольника
BAE
,
M'
— середина отрезка
OA
. Тогда
MM'\parallel SO
, значит,
MM_{1}
— перпендикуляр к плоскости основания, а
M'Q
— ортогональная проекция наклонной
MQ
на плоскость основания пирамиды. Из теоремы о трёх перпендикулярах следует, что
\angle MQM'=\gamma
— линейный угол двугранного угла, образованного плоскостями
BME
и
ABCD
. Из прямоугольных треугольников
BAE
и
MM'Q
находим, что
AP=\frac{AB\cdot AE}{BE}=\frac{a\cdot\frac{a}{2}}{\frac{a\sqrt{5}}{2}}=\frac{a}{\sqrt{5}},

\sin\gamma=\frac{MM'}{MQ}=\frac{\frac{1}{2}SO}{\sqrt{MB^{2}-BQ^{2}}}=\frac{\frac{1}{2}\cdot\frac{a\sqrt{2}}{2}}{\sqrt{\frac{3}{4}a^{2}-\frac{5}{16}a^{2}}}=\sqrt{\frac{2}{7}}.

Следовательно, если
d
— искомое расстояние между прямыми
BM
и
AN
(равное расстоянию
AH
от точки
A
до плоскости
BME
), то
d=AP\sin\gamma=\frac{a}{\sqrt{5}}\cdot\sqrt{\frac{2}{7}}=a\sqrt{\frac{2}{35}}.

Второй способ. Пусть
V
— объём пирамиды
SABCD
,
v
— объём тетраэдра
ABMN
,
h
— расстояние от точки
D
до плоскости
ASB
,
d
— искомое расстояние между прямыми
BM
и
AN
,
\varphi
— угол между этими прямыми. Тогда
V=\frac{1}{3}S_{ABCD}\cdot SO=\frac{1}{3}a^{2}\cdot\frac{a\sqrt{2}}{2}=\frac{a^{3}\sqrt{2}}{6},

v=\frac{1}{3}S_{\triangle AMB}\cdot\frac{h}{2}=\frac{1}{3}\cdot\frac{1}{2}S_{\triangle ASB}\cdot\frac{h}{2}=

=\frac{1}{4}\cdot\frac{1}{3}S_{\triangle ASB}h=\frac{1}{4}\cdot V_{DASB}=\frac{1}{4}\cdot\frac{1}{2}V=\frac{1}{8}V=\frac{a^{3}\sqrt{2}}{48}.

С другой стороны (см. задачу 7234),
v=\frac{1}{6}AN\cdot BM\cdot d\sin\varphi=\frac{1}{6}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot\frac{a\sqrt{3}}{2}\cdot d\cdot\frac{\sqrt{35}}{6}=\frac{a^{2}d\sqrt{35}}{48}.

Из равенства
\frac{a^{3}\sqrt{2}}{48}=\frac{a^{2}d\sqrt{35}}{48}
находим, что
d=a\sqrt{\frac{2}{35}}
.