14639. Основание пирамиды
TABC
— прямоугольный треугольник
ABC
, в котором угол
BAC
равен
60^{\circ}
. Ребро
TA
перпендикулярно плоскости основания. Биссектриса
AD
угла
BAC
равна
b
. Расстояние между прямыми
TB
и
AD
равно
\frac{b}{2}
. Найдите угол между прямыми
TC
и
AB
.
Ответ.
\arctg\sqrt{5}
.
Решение. Пусть
\angle B=90^{\circ}
. Из прямоугольного треугольника
ABD
находим
BD=\frac{1}{2}AD=\frac{b}{2},~AB=BD\sqrt{3}=\frac{b\sqrt{3}}{2}.

Треугольник
ACD
равнобедренный с углами
30^{\circ}
при основании
AC
, поэтому
CD=AD=b,~AC\sqrt{3}=b\sqrt{3},

а
BC=\frac{3}{2}b
.
Через точку
D
параллельно ребру
TB
проведём прямую, пересекающую ребро
TB
в точке
E
, Прямая
TC
параллельна плоскости
ADE
, так как эта прямая параллельна прямой
DE
, лежащей в плоскости
ADE
. Значит, расстояние
b
между прямыми
TB
и
AD
равно расстоянию от любой точки прямой
TB
, например, от точки
B
, до этой плоскости, а так как
BD=\frac{1}{2}CD
, то расстояние от точки
B
до плоскости
ADE
равно
\frac{b}{2}
, т. е. равно
BD
. По теореме о трёх перпендикулярах
\angle TCB=90^{\circ}
, поэтому
BDE
— острый угол. Значит,
BD
— наклонная к плоскости
ADE
, и
BD\gt\frac{b}{2}
. Противоречие.
Пусть теперь
\angle C=90^{\circ}
. Из прямоугольного треугольника
ACD
находим
CD=\frac{1}{2}AD=\frac{b}{2},~AC=CD\sqrt{3}=\frac{b\sqrt{3}}{2}.

Треугольник
ABD
равнобедренный с углами
30^{\circ}
при основании
AB
, поэтому
BD=AD=b,~AB=b\sqrt{3}.

Тогда
BC=\frac{3}{2}b
.
Через точку
D
параллельно ребру
TB
проведём прямую, пересекающую ребро
TC
в точке
E
, а через точку
E
параллельно
TA
— прямую, пересекающую ребро
AC
в точке
F
. Прямая
TB
параллельна плоскости
ADE
, так как эта прямая параллельна прямой
DE
, лежащей в плоскости
ADE
. Значит, расстояние
b
между прямыми
TB
и
AD
равно расстоянию от любой точки прямой
TB
, например, от точки
B
, до этой плоскости, а так как
CD=\frac{1}{2}BD
, то расстояние от точки
C
до плоскости
ADE
равно
\frac{b}{2}
. Поскольку
CF:CA=CE:CT=CD:CB=1:3
, то расстояние от точки
F
до плоскости
ADE
равно
\frac{1}{3}\cdot\frac{b}{2}=\frac{b}{6}
.
Опустим перпендикуляр
FP
на
AD
. Тогда
EF\parallel TA
, поэтому
EF
— перпендикуляр к плоскости
ABC
. По теореме о трёх перпендикулярах
EP\perp AD
. Пусть
FQ
— высота прямоугольного треугольника
EFP
. Прямая
FQ
перпендикулярна пересекающимся прямым
EP
и
AD
плоскости
ADE
, поэтому
FQ
— перпендикуляр к этой плоскости. Тогда расстояние от точки
F
до плоскости
ADE
равно
FQ
. Следовательно,
FQ=\frac{b}{6}
.
Из прямоугольного треугольника
APF
находим, что
FP=\frac{1}{2}AF=\frac{1}{2}\cdot\frac{2}{3}AC=\frac{1}{3}AC=\frac{1}{3}\cdot\frac{b\sqrt{3}}{2}=\frac{b\sqrt{3}}{6}.

Обозначим
\angle EPF=\alpha
. Тогда
\sin\alpha=\sin\angle FPQ=\frac{FQ}{FP}=\frac{\frac{b}{6}}{\frac{b\sqrt{3}}{6}}=\frac{1}{\sqrt{3}},~\cos\alpha=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}},

а так как
\angle EFQ=\angle FPQ=\alpha
, то
EF=\frac{FQ}{\cos\alpha}=\frac{\frac{b}{6}}{\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}}=\frac{b\sqrt{3}}{6\sqrt{2}}=\frac{b\sqrt{6}}{12}.

Из подобия треугольников
TAC
и
EFC
находим, что
TA=3EF=\frac{b\sqrt{6}}{4}
.
Пусть
CH
— высота основания
ABC
. Тогда
CH=\frac{1}{2}BC=\frac{3}{4}b
. На прямую, проведённую через точку
C
параллельно
AB
, опустим перпендикуляр
AG
. Тогда
AG=CH=\frac{3}{4}b
, а искомый угол
\varphi
между скрещивающимися прямыми
TC
и
AB
равен углу между пересекающимися прямыми
TC
и
CG
. По теореме о трёх перпендикуляров
TG\perp CG
, поэтому
\varphi
— острый угол
TCG
прямоугольного треугольника
TGC
. Поскольку
CG=AH=\frac{1}{2}AC=\frac{b\sqrt{3}}{4}~\mbox{и}~TG=\sqrt{TA^{2}+AG^{2}}=\sqrt{\frac{6b^{2}}{16}+\frac{9b^{2}}{16}}=\frac{b\sqrt{15}}{4},

то
\tg\varphi=\frac{TG}{CG}=\frac{\frac{b\sqrt{15}}{4}}{\frac{b\sqrt{3}}{4}}=\sqrt{5}.

Следовательно,
\varphi=\arctg\sqrt{5}
.